Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 1
E.T.S. de Ingeniería Industrial, Informática y de
Telecomunicación
Análisis de una Red de Sensores en
Motos
Grado en Ingeniería
en Tecnologías de Telecomunicación
Trabajo Fin de Grado
Autor: José Javier Martínez González
Director: Francisco Javier Falcone Lanas
Pamplona, 26 de Junio de 2014
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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RESUMEN
Este proyecto se centra en el análisis y comprobación del funcionamiento de una red
de sensores con tecnologías inalámbricas como Bluetooth o ZigBee colocada en una moto.
El estudio consistirá en analizar el comportamiento del canal radioeléctrico de dicha
red, para lo que se realizarán simulaciones deterministas con un software de trazado de rayos,
que nos permitirá tanto estudiar la influencia que tiene un piloto en el funcionamiento de la
red, así como averiguar la influencia de la frecuencia de trabajo en el funcionamiento de la red,
o la mejor colocación para las distintas antenas que se deberán implantar en la moto,
permitiendo de este modo a los conductores de diferentes motos recibir información sobre la
humedad de la calzada o la velocidad del viento, o incluso comunicarse entre ellos mientras
van conduciendo sobre la moto.
De este modo se conseguirá extraer conclusiones de gran interés para la posterior
implantación de la red de sensores en las motos.
ABSTRACT
This project focuses on the analysis and of operation and performance of sensor networks
implemented with wireless technologies such as Bluetooth or ZigBee placed on a motorcycle.
The study aims to analyze the behavior of radio channel of this network, for which
deterministic simulations were performed with the aid of a 3D Ray Launching code, thus
allowing to study the influence of a person in the operation of the network and determine the
influence of the carrier frequency in the operation of the network, or the best placement for
the different antennas that must be implemented on the motorbike, thus allowing drivers of
different motorbikes to receive information about moisture of the road or the speed of the
wind, or even communicate with each other while they are driving on the bike.
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LISTA DE PALABRAS CLAVE
Bluetooth
ZigBee
Moto
Algoritmo de Trazado de Rayos
Potencia Recibida, RSSI
Sensibilidad de Receptor
Perfil de Retardo de Potencia
Radial de Potencia
Piconet
Red de sensores inalámbricos
Componentes multitrayecto
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ÍNDICE
RESUMEN ...................................................................................................................................... 2
ABSTRACT ...................................................................................................................................... 2
LISTA DE PALABRAS CLAVE ............................................................................................................ 3
ÍNDICE ............................................................................................................................................ 4
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 6
1.1. Motivación del Proyecto .................................................................................................... 6
1.2. Objetivos ............................................................................................................................ 7
2. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................................... 8
2.1. Introducción a las Redes de Sensores Inalámbricas [1] ......................................................... 8
2.1.1. Nodos .......................................................................................................................... 9
2.1.2. Gateway ...................................................................................................................... 9
2.1.3. Estación Base ............................................................................................................... 9
2.2. Tecnologías Inalámbricas ................................................................................................. 10
2.2.1. Bluetooth ................................................................................................................... 10
2.2.2. ZIGBEE ....................................................................................................................... 16
2.3. Modelos de Propagación.................................................................................................. 21
2.3.1. Modelos de Propagación Empíricos [10]................................................................... 21
2.3.2. Modelos de Propagación Deterministas [13] ............................................................ 22
2.4. Comunicaciones en Motos [15]........................................................................................ 26
3. DEFINICIÓN DE LOS ESCENARIOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................. 30
3.1. Metodología ..................................................................................................................... 30
3.2. Definición de Escenarios .................................................................................................. 31
3.2.1. Escenario 1 con persona y sin ella ............................................................................. 32
3.2.2. Escenario 2 con personas y sin ellas .......................................................................... 34
3.2.3. Escenario 3 con persona y sin ella ............................................................................. 35
3.2.4. Escenario 4 con personas y sin ellas .......................................................................... 38
3.2.5. Escenarios para analizar problemas de convergencia .............................................. 40
3.3. Análisis de los Resultados................................................................................................. 41
3.3.1. Influencia de una persona en la distribución de potencia del escenario .................. 42
3.3.2. Nivel de Potencia Recibida en Función de la Ubicación de los Diversos Elementos del
Escenario ............................................................................................................................. 52
3.3.3. Nivel de Potencia Recibida en Función de la Frecuencia de Trabajo ........................ 63
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3.3.4 Respuesta del Sistema frente a Sensibilidad .............................................................. 71
3.3.5. Consideración de efectos de Convergencia .............................................................. 73
4. CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS ........................................................................................ 81
5. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 82
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1. INTRODUCCIÓN
1.1. Motivación del Proyecto
El rápido avance de las tecnologías inalámbricas y la miniaturización de los equipos,
hace que las comunicaciones inalámbricas tengan un papel importante en nuestras vidas. Las
posibilidades que ofrecen este tipo de tecnologías son muy amplias ya que pueden adaptarse a
cualquier tipo de entorno, ya sea interior o exterior.
Uno de los entornos en los que más importancia adquieren estas tecnologías es en los
medios de transporte. Dicha importancia surge de la gran cantidad de viajes que todos
realizamos a lo largo de nuestra vida, ya sea para acudir al trabajo, para ir de vacaciones u
otras muchas situaciones que se podrían citar. Estos viajes a menudo nos resultan pesados,
agotadores y en ellos ponemos en peligro nuestra vida.
Dicho esto, es aquí donde surgen la necesidad del empleo de redes de sensores
inalámbricas, para conseguir aumentar la seguridad de los conductores, proporcionándoles
información en todo momento del estado de la carretera por la que circulan (temperatura,
humedad, velocidad del viento, grado de deslizamiento de la carretera, etc.).
Además mediante el empleo de dichas tecnologías conseguiríamos hacer el viaje a los
pasajeros mucho más entretenido ya que se pondría a disposición del conductor, numerosos
servicio de audio como podrían ser escuchar la radio, o recibir mensajes de un GPS de manera
que facilitaría el viaje a un destino desconocido; o incluso recibir llamadas telefónicas sin sufrir
distracciones y sin perder de vista la carretera.
Muchos son los sistemas de este tipo desarrollados para coches, que permiten el
control del vehículo y el confort y seguridad de los pasajeros durante los diferentes trayectos.
Sin embargo poco ha sido el desarrollo alcanzado por estos sistemas para otro de los medios
de comunicación más empleados en la actualidad, las motos.
Por ello y por mi interés y conocimiento en motos y en tecnologías inalámbricas he
decidido realizar este proyecto para ayudar a aumentar la seguridad y el confort en este tipo
de vehículos mediante redes de sensores inalámbricas.
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1.2. Objetivos
El objetivo del proyecto es el análisis del funcionamiento de un sistema inalámbrico tal
como una red de sensores Bluetooth o ZigBee, aplicada al ámbito vehicular y concretamente
implantada en una moto.
El estudio consistirá en analizar el comportamiento del canal radioeléctrico de dicha
red en el caso en que la moto este parada, en el caso de que nos desplacemos con la misma, o
al interaccionar con otra moto.
Para ello se recrearán diferentes escenarios en los que habrá una o dos motos y en los
que se incluirán unas veces sí y otras no al conductor de la misma para observar el efecto que
este conductor provoca en el funcionamiento del sistema.
Así mismo se realizarán mediante software varias simulaciones deterministas de los
distintos escenarios con el método de trazado de rayos 3D, creando distintos mapas de
cobertura y a distintas alturas. Con estas simulaciones lo que se pretende es observar el efecto
de los diferentes elementos del entorno en el funcionamiento del sistema, así como comparar
el funcionamiento de este a las frecuencia de 2,4GHz y 868Mhz, y averiguar cuáles son las
mejores zonas de la moto para colocar los diferentes sensores.
Todo esto tiene una finalidad muy clara, desarrollar un trabajo que de una solución
viable para aplicar redes de sensores en el entorno de las motos, y mejorar su
funcionamiento.
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2. ESTADO DEL ARTE
2.1. Introducción a las Redes de Sensores Inalámbricas [1]
Actualmente los grandes avances tecnológicos han provocado una expansión
importante de las redes inalámbricas. Gracias a la fabricación de chips cada vez más pequeños,
con bajo consumo de energía y de menor coste, han surgido los sensores inalámbricos. Estos
forman las Redes Inalámbricas de Sensores conocidas en inglés como Wireless Sensor
Networks (WSN). Dichas redes juegan un papel fundamental en muchos ámbitos de nuestra
vida, ya que se encargan de la percepción, captación, tratamiento y distribución de la
información que se obtiene a partir de cualquier parámetro ambiental.
Estas Redes Inalámbricas de Sensores, están formadas por un conjunto de pequeños
nodos o también, conocidos como motas, compuestos por diversos tipos de sensores que
controlan múltiples parámetros ambientales, como pueden ser la temperatura, la humedad, la
luminosidad, o la velocidad del viento. Estos nodos autónomos pueden comunicarse entre sí
vía radio, es decir, se trata de redes ad-hoc y ubicuas, con capacidad de transmitir información,
de manera inalámbrica, y que pueden ofrecer una serie de servicios en el escenario donde se
desplieguen.
Son especialmente útiles en aquellos escenarios en los que resulta imposible o muy
incómodo desplegar cables, como pueden ser en entornos vehiculares, en determinados
espacios industriales, o para monitorizar diferentes parámetros del medio ambiente (grandes
plantaciones de diferentes tipos de cultivos).
En la Figura 2.1 se puede ver la arquitectura de una red compleja de sensores
inalámbricos, que realiza las funciones de adquisición y distribución de datos, y que está
controlada por un centro de control.
La arquitectura física de una WSN está formada por un conjunto de motas, un punto
de acceso llamado Gateway o puerta de enlace, y una estación base. El número de sensores
que formen cada una de esas redes dependerá de la aplicación a la que se destinen.
Fig. 2.1. Arquitectura básica de una Red Inalámbrica de Sensores [1]
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Como se puede observar en la imagen los elementos que forman parte de la
arquitectura de una red de sensores son los nodos, el Gateway, y la estación base.
2.1.1. Nodos
Los nodos, también llamados motas, son dispositivos electrónicos que recopilan
información a través de sus sensores y se comunican con otros nodos de su misma red.
El hardware básico de un nodo sensor se compone de un transceptor
(transmisor/receptor), un procesador, uno o más sensores, memoria y batería o fuente de
alimentación.
Fig. 2.2 Arquitectura general de un nodo [1]
2.1.2. Gateway
La puerta de enlace o Gateway es un nodo que no posee la unidad de sensores, y cuyo
objetivo principal es actuar como pasarela entre dos redes de diferente tipo; de modo que
recoge los datos de la WSN e interconecta esta red con el mundo exterior.
2.1.3. Estación Base
La estación base se encarga de recoger los datos adquiridos por la WSN a través de la
puerta de enlace. Se corresponde con un ordenador, donde todos los datos recogidos van a
parar a una base de datos desde la cual, los usuarios pueden solicitar toda la información, de
manera local o remota.
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2.2. Tecnologías Inalámbricas
Las tecnologías inalámbricas más empleada a día de hoy en redes de sensores son
Bluetooth y ZigBee, las cuales se explicarán de manera detallada a continuación.
2.2.1. Bluetooth
2.2.1.1 Descripción del Estándar y Características [2] [3]
Bluetooth es una especificación que define un estándar global de comunicaciones
inalámbricas que hace posible la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos,
mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda industrial, científica y médica (ISM) de los
2,4 GHz a los 2,485 GHz, en entornos de comunicaciones móviles y estáticas.
Las especificaciones Bluetooth están recogidas por un grupo de trabajo en el estándar
802.15.1 del IEEE.
Los objetivos definidos por este estándar son los siguientes:
Sistema universal que funciona en todo el mundo.
Facilitar las comunicaciones entre dispositivos móviles y fijos.
Eliminar cables y conectores entre los dispositivos.
Dispositivos con bajo consumo de energía ya que están alimentados por baterías.
Ofrece la posibilidad de crear redes inalámbricas y transmitir datos entre equipos.
Coste bajo de los dispositivos
A continuación se explican las características técnicas de Bluetooth.
La banda de frecuencia a la que trabaja se sitúa en el rango de 2,4 a 2,48GHz de la
banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) disponible a nivel mundial y que no
requiere licencia de operador lo que significa una compatibilidad universal entre
dispositivos Bluetooth. En esta banda para Bluetooth hay disponibles 79 canales (en
España, Francia y Japón 23), separados unos de otros 1MHz. Con el fin de evitar
interferencia con otras tecnologías que operen en la misma banda de frecuencias
como podrían ser Zigbee o WIFI, Bluetooth emplea un modelo de transmisión basado
en el salto en frecuencia (FHSS), y en duplexación por división de tiempo (TDD), en el
que el canal es dividido en intervalos de 625μs, llamados slots, donde cada salto de
frecuencia es ocupado por un slot. Esto da lugar a una frecuencia de salto de 1600
veces por segundo, en la que un paquete de datos ocupa un slot para la emisión y otro
para la recepción y que se pueden usar alternativamente dando lugar a un esquema de
tipo TDD. El salto de frecuencia del canal está determinado por la secuencia de la
señal, es decir por el orden en que los saltos llegan y por la fase de esta secuencia.
En cuanto al alcance, destacar que los dispositivos Bluetooth se comunican entre sí
siempre que se encuentren dentro de su radio de cobertura. Las comunicaciones se
realizan vía radio, de forma que los dispositivos incluso pueden estar separados por
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muros u obstáculos, siempre que la potencia de transmisión tenga un valor adecuado y
lo permita. Los dispositivos Bluetooth pueden clasificarse en tres clases (Clase 1, Clase
2 y Clase 3) en función de la potencia emitida por cada uno de ellos, de manera que a
mayor potencia transmitida mayor es su alcance. Todos los dispositivos de las
diferentes clases son totalmente compatibles entre sí. En la siguiente tabla se pueden
observar la potencia máxima de transmisión permitida y el alcance aproximado de
cada una de las clases de dispositivos Bluetooth. [1]
Tabla 1. Potencias y alcance de dispositivos Bluetooth. [2]
Respecto al ancho de banda de transmisión, éste depende de la versión Bluetooth que
empleen los dispositivos. En la siguiente tabla se muestra el de algunas versiones.
Figura 2.3. Versiones Bluetooth. [2]
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En lo que se refiere al enlace físico, se definen dos tipos de enlaces que soportan
aplicaciones de voz y datos.
Enlace síncrono orientado a conexión (SCO): soportan conexiones simétricas
punto a punto, usadas normalmente en conexiones de voz. Estos enlaces están
definidos en el canal, reservándose dos ranuras consecutivas (envío y retorno)
en intervalos fijos. Su velocidad de transmisión son 64Kbps.
Enlace asíncrono sin conexión (ACL): soportan conmutaciones punto a
multipunto simétricas o asimétricas, usadas normalmente en transmisión de
datos, entre maestro y esclavos.
No garantizan la entrega de paquetes, aunque los retransmiten.
La máxima velocidad de envío es de 721Kbps en una dirección y
57,6Kbps en la otra
Estas serían algunas de las características básicas de la tecnología Bluetooth que nos
pueden ser de especial interés para posteriormente saber las especificaciones que ha de
cumplir la red de sensores que se va a analizar en el presente proyecto.
2.2.1.2. Topología de la red [1] [3]
Una vez explicadas brevemente las características de Bluetooth se va a realizar un
breve resumen de la topología de cualquier red formada por dispositivos Bluetooth.
La tecnología Bluetooth proporciona conexiones punto a punto y conexiones punto a
multipunto. Dos o más dispositivos que comparten el mismo canal físico forman una red ad-
hoc, llamada piconet. Uno de los dispositivos toma el papel de maestro de la piconet, mientras
que el resto actúan como esclavos. Además cualquier equipo puede asumir cualquiera de los
dos papeles, incluso un equipo puede actuar como maestro en un enlace y como esclavo en
otro. El maestro de la piconet es normalmente el encargado de iniciar la conexión.
En una piconet puede haber un máximo de 8 dispositivos (podrá haber hasta 255 pero
en estado de espera), de los cuales solo uno de ellos es el encargado de actuar como maestro
de la red. El dispositivo que actúa como maestro solo puede realizar dicha función dentro de
una piconet y no más. Además será el encargado de sincronizar a todos los demás dispositivos
esclavos de la piconet, a partir de su reloj interno que determina la temporización y el patrón
de saltos entre canales a seguir.
La unión de múltiples piconet con áreas de cobertura solapadas, forman lo que se
denomina Scatternet o Red Dispersa.
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Fig. 2.4. Esquema Piconet conexión maestro-esclavos. [4]
Fig. 2.5. Esquema Scatternet. [4]
En resumen y tal y como se puede observar en la figura 2.5, la topología Bluetooth se
puede ver como una estructura de múltiples piconets. Dado que Bluetooth soporta tanto
conexiones punto a punto como conexiones punto a multipunto, se pueden establecer
conexiones entre varias piconets en forma de Scatternet. Las piconets que forman parte de
una misma Scatternet no están coordinadas y los saltos de frecuencia se producen de manera
independiente, es decir, todos los dispositivos que pertenecen a la misma piconet se
sincronizan con su correspondiente tiempo de reloj y su patrón de saltos determinado. El resto
de piconets emplearán diferentes patrones de saltos y frecuencias de relojes distintas, lo que
supone distintas velocidades de salto entre canales. Aunque no está permitida la
sincronización de varias piconets, cualquier dispositivo puede formar parte de varias piconets
gracias a la multiplexación por división de tiempo, aunque solo podrá estar activo en una de
ellas cada vez.
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2.2.1.3. Dispositivos Bluetooth [3]
Hoy en día, la tecnología Bluetooth permite la comunicación inalámbrica y el
intercambio de información entre gran cantidad de dispositivos de todo tipo que cumplen con
las especificaciones del estándar. Algunos de esos dispositivos de uso cotidiano, que
incorporan tecnología Bluetooth y que servirán para implantar los servicios que queremos
ofrecer colocando una red de sensores Bluetooth en una moto son los siguientes:
Para el caso de servicios de audio proporcionados en la moto ya existen gran cantidad
de auriculares con tecnología Bluetooth. Del mismo modo el mercado de las
telecomunicaciones, ofrece sistemas de manos libres o GPS para implantar en ciertos
vehículos. Por otro lado, a día de hoy gran cantidad de teléfonos móviles, smartphones o PDAs
soportan tecnología Bluetooth de modo que podremos conectarlos a nuestro vehículo, en este
caso a la moto.
Actualmente ya se han desarrollado sistemas manos libres con tecnología Bluetooth
para automóviles, y se están comenzando a desarrollar para otro tipo de vehículos como
motos.
Existen auriculares o sistemas integrados en los vehículos, que hacen posible conversar
por teléfono móvil sin necesidad de utilizar las manos para sujetar el terminal cerca del oído.
Los auriculares Bluetooth actúan como interfaz de entrada y salida de voz y permiten libertad
de movimiento con las manos, al tiempo que garantizan la confidencialidad de la llamada.
De este modo cuando el móvil recibe una llamada telefónica, el sistema deja de
ofrecer el servicio que estaba dando hasta ese momento, como por ejemplo apaga la radio, y
pasa a proyectar por los auriculares la conversación, asegurando que el conductor de la moto
no tenga que apartar las manos del manillar de la misma.
De la misma manera, Bluetooth ofrece un medio de comunicación inalámbrico de
corto alcance ideal para el envío de coordenadas NMEA geoposicionales entre los módulos
receptores GPS y equipos visualizados de mapas como PDAs, teléfonos móviles o la propia
interfaz de usuario que se implantará en nuestra moto.
A continuación podemos ver algunos de este tipo de dispositivos que se acaban de
comentar. Por un lado como se aprecia en la figura 2.6 existen auriculares y micrófonos con
tecnología Bluetooth aptos para instalarse en los cascos de las motos.
Por otro lado y tal y como se observa en la figura 2.6 se venden cascos que ya traen
incorporados el sistema Bluetooth con los auriculares y micrófono en el mismo.
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(a)[5] (b) [6]
(c)[7]
Fig.2.6. Auriculares y micrófonos con Bluetooth(a) y cascos con tecnología Bluetooth y
con los auriculares y el micrófono ya incorporados en el mismo de fábrica. (b) y (c).
También existen sistemas GPS como el siguiente.
Fig.2.7. Sistema GPS [8]
En definitiva todo parece indicar que Bluetooth sería una tecnología muy adecuada
para implantar la red de sensores en la moto dada la gran cantidad de servicios que nos puede
ofrecer, la poca cantidad de energía que necesitan este tipo de dispositivos para su
funcionamiento, y la seguridad en cuanto a la privacidad de nuestras llamadas que garantiza
dicha tecnología.
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2.2.2. ZIGBEE
2.2.2.1 Descripción del estándar y características [9] [10] [11]
Es una especificación del estándar IEEE 802.15.4 que define un conjunto de protocolos
de comunicación de baja velocidad de transmisión que usan transceptores digitales de
pequeño tamaño y baja potencia para redes inalámbricas. Se trata de una tecnología que se
aplica en redes que necesiten comunicaciones seguras, poca tasa de envío de datos, y larga
vida de la batería de los dispositivos. Es una tecnología más barata y simple que Bluetooth
aunque su velocidad de envío de datos es menor.
Debido a la existencia de un grupo llamado ZigBee Alliance formado por diferentes
empresas que mantienen y publican el estándar, todos los dispositivos sean de un fabricante o
de otro deben cumplir con ese estándar y son compatibles entre sí, reduciendo así el coste de
implementación a consecuencia de simplificar los protocolos de comunicación y disminuir la
velocidad de datos de todos los transceptores ZigBee.
Las principales características de ZigBee son las siguientes:
ZigBee opera en las bandas libres ISM (Industrial, Scientific & Medical) de 2.4 GHz,
868MHz (Europa) y 915 MHz (Estados Unidos).
Fig. 2.8. Características radio del estándar IEEE 802.15.4.
Tiene una velocidad de transmisión de 250 Kbps y un rango de cobertura de 10 a 75
metros.
A pesar de coexistir en la misma frecuencia con otro tipo de redes como WiFi o
Bluetooth su desempeño no se ve afectado, esto debido a su baja tasa de transmisión
y, a características propias del estándar IEEE 802.15.4.
Emplea CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) para
permitir a múltiples dispositivos utilizar el mismo canal de frecuencias para
comunicarse. ZigBee es asíncrono, es decir, cualquier nodo puede transmitir en
cualquier instante. Sin embargo gracias a CSMA/CA se evitan que los mensajes
enviados entre los distintos nodos colisionen. Para ello lo que hace cualquier
dispositivo antes de transmitir es asegurarse que el canal que va a usar no está siendo
usado por otro dispositivo. En caso de que el canal esté libre, transmite su mensaje. De
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lo contrario, el dispositivo espera un tiempo definido con anterioridad y lo intenta de
nuevo. Este proceso se repite hasta que el canal esté libre o hasta alcanzar el máximo
número de intentos definido por el usuario.
Permite el uso de ranuras de tiempo (time slots) para posibilitar aplicaciones de baja
latencia.
Emplea indicadores de calidad en el enlace, así como de conmutación de canales para
recibir paquetes (LQI).
Cada red ZigBee tiene un identificador de red único, lo que permita que coexistan
varias redes en un mismo canal de comunicación sin ningún problema. Teóricamente
pueden existir hasta 16000 redes diferentes en un mismo canal y cada red puede estar
constituida por hasta 65000 nodos, obviamente estos límites se ven alterados por
algunas restricciones físicas (memoria disponible, ancho de banda, etc.).
Tiene dos modos de direccionamiento, direccionamiento corto con 16 bits y extendido
con 64bits.
Es un protocolo de comunicación multisalto, es decir, que se puede establecer
comunicación entre dos nodos aún cuando estos se encuentren fuera del rango de
transmisión, siempre y cuando existan otros nodos intermedios que los interconecten,
de esta manera, se incrementa el área de cobertura de la red.
Tras haber analizado ya las características básica de ambas tecnologías podemos
comprobar que existen muchas semejanzas entre ambas, aunque también hay pequeñas
diferencias que hacen que alguna de ellas sea más adecuada que la otra dependiendo de la
aplicación y el escenario en el que se quieran implementar.
En nuestro caso aunque como ya hemos visto ZigBee tiene un consumo algo menor
que Bluetooth, pues ZigBee consume 30mA transmitiendo y 0,3µA en reposo frente a los
40mA transmitiendo y los 0,3mA en reposo de Bluetooth. Esto es debido a que en ZigBee los
dispositivos están dormidos la mayor parte del tiempo, mientras que en Bluetooth esto no es
así.
Por otro lado mediante ZigBee se pueden tener un máximo de 65535 nodos
distribuidos en subredes de 255 nodos, frente a los 8 máximos de una subred Bluetooth.
Sin embargo y a pesar de estas pequeñas ventajas que presenta ZigBee frente a
Bluetooth, existe un gran hándicap como es la baja tasa de envío de datos que ofrece ZigBee,
lo que provocará que a pesar de poder emplear ZigBee para la implementación de nuestra red
de sensores en la moto, Bluetooth sea la tecnología más óptima para la creación de dicha red.
2.2.2.2. Tipos de Dispositivos [10]
Una vez comentada las características de esta tecnología podemos pasar a hablar de
los dispositivos de los que consta cualquier red ZigBee.
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Coordinador ZigBee: es el dispositivo más completo, y el responsable de establecer el
canal de comunicaciones y el identificador para toda la red. Tras establecer estos parámetros,
el coordinador puede formar una red, ya que a él pueden conectarse routers y dispositivos
finales. Cuando la red ha sido creada, el coordinador actúa como router, es decir, se encarga
del enrutado de paquetes y puede transmitir o recibir información.
Además, puede tanto realizar las funciones de gestión y dirección de una red en árbol,
como actuar de enlace hacia otras redes. Es el dispositivo que al principio inicia la red, por lo
que solo existe uno por cada red. También puede almacenar información sobre la red, y actuar
como su centro de confianza en la distribución de claves de cifrado.
Router ZigBee: se trata de un dispositivo que se conecta a la red para poder
retransmitir paquetes de otros routers o dispositivos finales. Además se encarga de
interconectar dispositivos separados en la red y limitados debido a su alcance.
Por otro lado, se trata de un nodo que crea y mantiene información sobre la red y
determina la mejor ruta para enviar un paquete de información a un destino en concreto.
También es capaz de almacenar temporalmente en una tabla interna, las tramas que le llegan
para los distintos dispositivos asociados a él. Así cuando un dispositivo final se despierta y le
pregunte si hay algún paquete de datos para él, el router le envía las tramas que tenía
almacenadas para ese dispositivo.
Dispositivo final o end-device: puede comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un
router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos ni realizar
funciones de enrutamiento. Así, este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del
tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. Posee requerimientos mínimos de
memoria y es bastante más barato que los dos dispositivos explicados anteriormente.
Fig.2.9. Red de dispositivos ZigBee. [11]
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Existe otro modo de clasificar los dispositivos de una red ZigBee según su
funcionalidad.
Dispositivos de funcionalidad completa (FFD): también llamados nodos activos. Son
capaces de recibir mensajes en formato del estándar 802.15.4 y funcionar como coordinador o
router, o ser usado en dispositivos de red que actúen de interfaz con los usuarios.
Dispositivos de funcionalidad reducida (RFD): conocidos como nodos pasivos. Se trata
de dispositivos que poseen capacidad y funcionalidad reducidas con el objetivo de conseguir el
menor coste y la mayor simplicidad posibles. Están pensados para realizar tareas
extremadamente simples en las que se envíen pequeñas cantidades de datos y solo pueden
estar conectados a un FFD. Solo funcionan como dispositivos finales.
2.2.2.3. Topologías de Red [10]
Las diferentes posibilidades de unión que ofrecen la gran cantidad de dispositivos
descritos anteriormente, da lugar a redes con topologías muy distintas unas de otras. Algunas
de las topologías de red soportadas por ZigBee son la topología en estrella, en árbol o en malla
que se explican detalladamente a continuación.
Fig. 2.10. Topologías de red ZigBee. [12]
2.2.2.3.1. Topología en estrella
El coordinador de red se sitúa en el centro, y todas las conexiones entre los diferentes
nodos pasan por él. Este coordinador dispone de todos los medios necesarios para prevenir
distintos problemas que se puedan producir en el envío de paquetes por la red.
Algunas de las ventajas que ofrece este tipo de topología son su facilidad de
implementación, que se evitan las colisiones de datos ya que cada nodo tiene su propia
conexión con el coordinador, y que la caída de un nodo periférico no afecta al resto del
funcionamiento de la red.
Sin embargo presenta algunos inconvenientes como son que el coordinador deberá
estar conectado a la red eléctrica ya que su consumo es mayor que el de los dispositivos finales
que son alimentados por baterías; o que el rango de alcance del coordinador es el que define
el tamaño de la red, lo que supone una gran limitación para la expansión de la red.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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Debido a todo esto podemos decir que una red en estrella resulta poco fiable para
transmitir información
2.2.2.3.2. Topología en árbol
Se trata de una topología de red en la que los nodos están distribuidos en forma de
árbol, donde el coordinador es la raíz del árbol. Como se puede observar en la figura x la
conexión en árbol es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas, con la
excepción de que no tiene un nodo central, sino un nodo de enlace troncal, desde el que se
ramifican los demás nodos.
En este tipo de redes se emplean routers ZigBee para interconectar los distintos nodos
de la red.
Uno de los problemas que presenta esta topología es que los datos son recibidos por
todas las estaciones sin importar para quien vayan dirigidos, por lo que es necesario dotar a la
red de un mecanismo que permita identificar al destinatario de los mensajes.
Además, pueden producirse interferencias entre las distintas señales cuando dos o
más dispositivos transmitan al mismo tiempo. Para evitar esto, hay que mantener coordinados
a todos los nodos mediante el empleo de información de control en las tramas que controlan
quien transmite en cada momento mediante el uso de tramas baliza.
2.2.2.3.3. Topología en malla
Se trata de la topología más empleada en redes de sensores ZigBee. Consiste en que al
menos uno de los nodos deberá tener más de dos conexiones.
Así en una red en malla existen múltiples caminos para enviar la información de un
nodo a otro, por lo que si una conexión falla, no resultará un problema, ya que el tráfico
llegará al destino por otro camino diferente.
Esta red a diferencia de los anteriores no necesita un nodo central, reduciendo así las
labores de mantenimiento de la misma.
Dichas redes pueden funcionar incluso cuando un nodo desaparece o la conexión falla,
ya que el resto de nodos evitan el paso por ese punto, dando así lugar a una red muy confiable,
segura y adecuada para emplear en múltiples entornos.
2.2.2.4. Dispositivos ZigBee
Finalmente destacar que a día de hoy existen varias empresas encargadas de la
fabricación de módulos ZigBee que pueden actuar como coordinadores, routers o como
dispositivos finales en las distintas topologías de red descritas anteriormente.
Todos y cada uno de esos módulos constan de las partes que se definen a continuación y
que permiten un funcionamiento adecuado de cada uno de los dispositivos de la red.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 21
Módulo de sensores: posee los sensores o los actuadores conectados a las múltiples
entradas y salidas del microcontrolador.
Módulo de control: formado por un microcontrolador, encargado de controlar todas las funciones del dispositivo.
Módulo de comunicaciones: formado por transceptor de RF, que se encarga de recibir y transmitir información.
Batería: se encarga de alimentar el dispositivo.
2.3. Modelos de Propagación
Poco a poco, cobra especial importancia la comprensión y el desarrollo de distintos
modelos de propagación tanto en entornos interiores como exteriores, debido al rápido
avance de las tecnologías descritas anteriormente y a su implantación en todo tipo de
entornos.
Estos modelos son la base de diferentes herramientas como software de simulación,
que permiten llevar a cabo la planificación de un sistema de comunicación inalámbrico en
cualquier escenario. De esta manera se consigue evitar una tarea tan pesada como es la
realización de “prueba y error” para determinar la mejor ubicación para cada uno de los nodos
del sistema inalámbrico.
Estos modelos permiten predecir el comportamiento de las señales electromagnéticas
en distintos ambientes, resultando así fundamentales para la planificación de redes
inalámbricas o cualquier sistema de comunicaciones inalámbricas. Existen dos tipos de
modelos:
2.3.1. Modelos de Propagación Empíricos [10]
Consisten en extraer resultados y conclusiones a partir de medidas reales realizadas
sobre el terreno. En estos modelos no se estudia la influencia que tienen en los resultados
cada uno de los elementos del entorno por separado, sino la influencia de todos ellos en
conjunto.
Su precisión depende tanto de la precisión con la que se toman las medidas como la
semejanza entre el entorno en el cual se toman las medidas, y el escenario que se desea
analizar. Además este tipo de modelos tiene una muy buena eficiencia computacional.
Entre estos modelos podemos citar algunos como el modelo de propagación en el
espacio libre, el modelo de Okumura-Hata, el modelo COST-231, o el modelo ITU-R.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 22
2.3.2. Modelos de Propagación Deterministas [13]
Los modelos deterministas están basados en el empleo de principios matemáticos y
físicos sobre la propagación de ondas, y necesitan conocer con bastante precisión todos los
elementos y variables del escenario en cuestión para poder estimar la propagación exacta de
la señal.
Se trata de métodos que proporcionan una visión bastante exacta de la realidad
aunque para ello necesiten realizar gran cantidad de cálculos, lo que les hace ser unos
algoritmos poco eficientes y que tienen gran coste computacional.
2.3.2.1. Técnicas de Trazado de Rayos
2.3.2.1.1 Algoritmo de Lanzado de Rayos [9] [10] [13] [14]
Estas técnicas se basan en que las ondas electromagnéticas pueden tratarse igual que
rayos ópticos que se propagan en línea recta por el medio de propagación en el que nos
encontremos.
Fig. 2.11. Trazado de rayos
Dichos rayos son lanzados desde una antena transmisora de manera uniforme en
todas las direcciones del espacio, después este número finito de rayos chocará con alguno de
los elementos del escenario, produciéndose en ese momento alguno de los fenómenos de la
propagación como la transmisión, reflexión, difracción o el scattering, dependiendo todo ello
de la geometría del medio y de las propiedades eléctricas de todos los objetos presentes en el
escenario.
De este modo cuando el rayo llega a la antena receptora, se pueden calcular
parámetros como la potencia recibida en un determinado punto del espacio, o las pérdidas
que se producen en el trayecto transmisor-receptor.
Algunas de las características básicas de las técnicas de trazado de rayos en tres
dimensiones son las siguientes [9]:
Recreación de una propagación multitrayecto realista.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 23
Modelado en tres dimensiones de todo tipo de entornos complejos con
habitaciones, con vehículos como coches, motos, aviones o incluso escenarios
como parques o la bahía de Cádiz.
Caracterización de objetos o personas en movimiento.
Caracterización y modelado de cualquier tipo de objeto mediante su forma
tridimensional y su constante dieléctrica.
Implementación de fenómenos como difracción, refracción, reflexión y
scattering.
Cálculo de las interacciones entre los rayos y los objetos teniendo en cuenta la
polarización de la onda.
Modelado de cualquier tipo de antena transmisora o receptora.
Caracterizar la duración de la simulación de un rayo determinado mediante
número de rebotes, retardo máximo, magnitud de campo eléctrico mínima,
etc., que nos permitirá definir hasta que momento la contribución de un rayo
puede ser considerada como significativa.
En este proyecto, para la realización de las simulaciones y obtención de los resultados
correspondientes, se ha empleado este modelo de trazado de rayos ya que está demostrado
que se trata de una técnica mejor que el método de las imágenes ya que la precisión que se
consigue especialmente a frecuencias elevadas es mayor que la alcanzada con el método de
las imágenes.
2.3.2.1.2. Método de las Imágenes [13]
La presencia de un obstáculo, especialmente si se encuentra cerca del elemento
radiante, puede alterar significativamente las propiedades radiantes del sistema en sí. Por este
motivo, esta técnica consiste en calcular las imágenes del receptor con los objetos más
importantes, es decir, los más cercanos y calcular la trayectoria del rayo entre el transmisor y
cada una de las imágenes.
En la práctica uno de los obstáculos que siempre nos encontramos es el suelo, de
modo que la energía que se refleja en el mismo dependerá de los parámetros tales como la
conductividad del mismo. En este caso además nos encontraremos con la persona o con la
moto, de modo que la cantidad de energía que reflejen dichos elementos dependerá
igualmente de sus parámetros característicos.
Dicho esto, para analizar el comportamiento de una antena próxima a un objeto
conductor (plano conductor), lo que se hace es introducir antenas virtuales, llamadas
imágenes que tienen efecto sobre la reflexión, y que junto con las antenas reales forman un
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 24
sistema equivalente al de antena-plano conductor, de modo que nos permiten analizar el
escenario real.
Asumamos que un dipolo vertical (elemento radiante) está situado a una distancia ‘h’
sobre un conductor perfecto, plano e infinito, como mostramos a continuación:
Fig.2.12. Método de las Imágenes [13]
Asumiendo que no hay acoplamiento mutuo y que la energía es radiada en todas
direcciones, para el observador P1 habrá un rayo directo y además uno reflejado procedente
del punto QR1 en la interfaz creada por el conductor y que obedece a la ley de la reflexión que
establece que θ1r= θ1i como se puede apreciar en la figura 2.12. De aquí se deduce que la
energía describe trayectorias rectas describiendo los caminos más cortos.
La onda que llega entonces al punto de observación P1 mediante la reflexión parece
originada por la imagen de la fuente a una distancia “h” por debajo del conductor. Si
atendemos al transmisor situado en P2 el punto de reflexión es QR2 pero la imagen sigue
siendo la misma que antes. Este comportamiento se extiende a cualquier otro punto por
encima del plano conductor.
Como conclusión destacar que mediante esta teoría se generan imágenes de cada una
de las fuentes del escenario con respecto a cada uno de los objetos o planos que tengamos en
nuestro escenario, de modo que si hay N planos se formaran N imágenes por cada una de las
antenas que tengamos. Sin embargo esto no acaba aquí ya que luego se realizaría la imagen de
la imagen anterior con respecto a cada uno de los planos y así sucesivamente, hasta que la
cantidad de energía que genere una imagen se pueda considerar como despreciable;
obteniendo de este modo una gran cantidad de imágenes en cada escenario que nos
permitirán describir las múltiples trayectorias de cada uno de los rayos y analizar de este modo
su comportamiento, siendo la potencia total recibida por el observador la suma de las
contribuciones de cada uno de los rayos generados por las diferentes antenas y por todas las
imágenes.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 25
2.3.2.2. Método de los Momentos [13]
A diferencia del método de trazado de rayos que se empleaba para calcular los
diferentes niveles de cobertura con bastante precisión en cada uno de los puntos del espacio
de aquellos escenarios grandes con gran número de obstáculos entre el transmisor y el
receptor; el método de los momentos se emplea en el caso contrario, es decir, cuando
queramos obtener gran precisión en escenarios pequeños. Claro está que se pueden combinar
ambos métodos, logrando así unir las ventajas de ambos para poder aplicarlos en los entornos
más adecuados.
Para poder obtener unos datos precisos necesitamos que los parámetros de los
elementos del escenario a estudio estén definidos con mucha exactitud. Dicho método se
emplea en escenarios pequeños con pequeños elementos, debido a su gran carga
computacional, debido a que en escenarios grandes puede que los ordenadores no tuvieran
memoria suficiente, y a que si los objetos son de tamaño pequeño, las técnicas de trazado de
rayos no generarían unos resultados precisos.
2.3.2.3. Método FDTD [13]
En aquellos escenarios que tengan dimensiones finitas y en los que se producen
pérdidas, la técnica de trazado de rayos no es la mejor. Esto adquiere más importancia en
sistemas de comunicaciones complejos, en los que las antenas transmisoras y receptoras se
colocan cerca de los distintos elementos que forman parte de nuestro escenario. Estos
problemas se solucionan a partir de las ecuaciones de Maxwell.
Concretamente se aplica el método de las diferencias finitas en el dominio del tiempo
(Finite-Difference Time-Domain, FDTD). Este método posee algunas ventajas como son su
exactitud y que ofrece una solución completa para todos los puntos del espacio, lo que nos
proporciona información sobre el nivel de cobertura de la señal en todo el escenario en
estudio.
Por el contrario una de las principales desventajas de este método, es que al tratarse
de un método numérico necesita mucha memoria para almacenar la solución de todos los
puntos del mapa de potencias, por lo que se convierte en inadecuado para grandes escenarios.
Sin embargo, el interés de esta técnica aparece al combinarla con el trazado de rayos
para formar un modelo de propagación adecuado que combine exactitud y bajo coste
computacional. La idea básica consistiría en usar el trazado de rayo para áreas grandes, y el
método FDTD para el estudio de áreas donde el trazado de rayos no sea suficientemente
exacto.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 26
2.4. Comunicaciones en Motos [15]
El ámbito en el que se centra este proyecto requiere una breve descripción del
funcionamiento de los sistemas de comunicaciones en motos, para entender mejor en que se
basan dichos sistemas.
Muchos son los sistemas electrónicos colocados en los coches que ofrecen seguridad y
confort a los pasajeros durante los trayectos a diferentes lugares. Sin embargo y a pesar de
que en las motos estos sistemas no están tan desarrollados, los conductores de este tipo de
vehículos estarán igualmente interesados en sistemas de manos libres, GPS o sistemas que les
permitan comunicarse con sus acompañantes. Es aquí donde nace la necesidad de crear un
interfaz de comunicación vehículo-persona que permita a los conductores disfrutar de los
servicios anteriormente citados.
A día de hoy la manera más segura de proporcionar información a los conductores sin
causarles ningún tipo de distracción son las señales de audio. Actualmente, gran cantidad de
moteros disponen de cascos equipados con auriculares y micrófonos que les permiten
comunicarse mientras conducen.
Ahora bien, estos sistemas pueden resultar incómodos por la gran cantidad de cables
que requieren para conectarse a la moto. Sin embargo con el desarrollo de la tecnología
inalámbrica se ha conseguido mejorar dicho sistema sin necesidad del empleo de cables que
incomoden al conductor, de manera que se crea un interfaz de comunicación vehículo-persona
a través de un enlace inalámbrico por el que se envían señales de audio.
La tecnología inalámbrica que mejor se adapta a la implementación de este tipo de
sistemas de comunicaciones es Bluetooth. Esto es debido tanto a las características de bajo
consumo y bajo coste, como a las mínimas dimensiones del hardware de esta tecnología
disponible en el mercado, que la han convertido en la más óptima para el diseño de la Unidad
de Comunicación Audio (ACU) que se implantará en las motos.
El sistema de comunicación que se crea, consiste en una ACU que forma una red de
comunicación audio, multipunto e inalámbrica y representa un punto de acceso de
información de audio, al cual se conectan los usuarios de la moto equipados con Bluetooth
Headsets (BH).
Con este sistema además de mantener conversaciones por el móvil mientras
conducimos, podemos disfrutar de otro tipo de servicios de manera que el conductor de la
moto podrá seleccionar que señales de audio desea escuchar, ya sean las que generan otros
usuarios que estén hablando con él, o de otras fuentes directamente conectadas a la ACU
como la radio FM o indicaciones de voz GPS, etc.
Dicho de otro modo los usuarios de este sistema de comunicaciones pueden disfrutar
de una gran cantidad de servicios de audio, disponibles al mismo tiempo y de manera
independiente para el conductor y el acompañante, de tal forma que a través de una interfaz
de usuario colocada en la moto, pueden seleccionar el audio deseado en cada momento.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 27
Fig. 2.13. Vista del sistema de comunicaciones inalámbrico con de las distintas fuentes de
audio a implantar en la moto. [15]
El sistema de comunicación que estamos tratando y que podemos observar en la figura
2.13, consiste en una red Bluetooth formada por la ACU que actúa como maestro y los dos
cascos del conductor y del pasajero que serían los esclavos en esa red.
La ACU realiza las funciones de puerta de enlace para el conductor y el pasajero,
equipados ambos con Bluetooth Headsets, distribuyendo los servicios de audio que estos
soliciten tales como la radio o indicaciones GPS.
El funcionamiento clave para este sistema consiste tal y como podemos ver en la figura
2.14, en que los dos enlaces de audio están activados al mismo tiempo en la piconet,
conectando en uno de ellos la ACU al casco del conductor, y en el otro al del pasajero, y no
directamente ambos cascos entre sí. De esta manera, la ACU controla los dos flujos de audio y
se puede enviar cualquier combinación de señales a los BHs de cada usuario de manera
independiente para cada uno, es decir no tienen porqué estar recibiendo la misma señal si es
que no lo desean.
Desde el punto de vista del diseño de este sistema Bluetooth, la ACU implementa dos
piconets de audio. Una de ellas, la piconet A conectando los cascos a la ACU. Esta red soporta
los enlaces de audio entre cada casco y la ACU, proporcionando una estructura eficiente para
la transmisión de señales de audio.
Sin embargo esta estructura puede parecer inadecuada ya que los dos usuarios
principales del sistema como son conductor y pasajero y que actúan como esclavos, no están
directamente conectados. De hecho la conexión directa entre dos esclavos en una red
Bluetooth resulta imposible a no ser que cambie su topología creando una piconet entre los
dos cascos en la que uno de ellos actúe como maestro. Sin embargo, de este modo no podría
emplear los servicios de audio del vehículo y el micrófono al mismo tiempo, y se generaría un
gran retardo cada vez que la red tiene que configurarse para ofrecer un servicio u otro.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 28
La solución para esto es tener una red de un maestro y dos esclavos, de modo que en
el maestro, en este caso la ACU tengamos funcionando un software que establezca los
piconets y se encargue tanto de gestionar los flujos de audio que se intercambian los cascos
(esclavos), como de distribuir las señales de audio procedentes de la moto a cada pasajero.
Fig.2.14. Arquitectura del sistema de comunicación inalámbrico de la moto. [15]
La segunda piconet, la piconet B consistiría en añadir un teléfono móvil con Bluetooth
al sistema. Esta piconet se creó, dado que de lo contrario el teléfono con Bluetooth hubiera
actuado como esclavo en la piconet A, y normalmente estos dispositivos actúan como
maestros de una red, conectados a un Bluetooth Headset. Así el teléfono con Bluetooth
actuará como maestro de la piconet y además tendríamos a nuestra disposición en la ACU, un
flujo de audio procedente del teléfono.
Todas las tareas llevadas a cabo en la ACU se dividen en dos plataformas hardware
diferentes que hacen que este sistema sea mucho más flexible. De este modo todas las
funciones relacionadas con la red Bluetooth se ejecuta en el Host Controller y las relacionadas
con el control de las fuentes de audio, se realizan en el Host al mismo tiempo que se ejecutan
las del Host Controller. Estas dos plataformas hardware se conectarían entre sí a través de un
enlace serie tal y como se puede apreciar en la figura 2.15.
Fig.2.15. Arquitectura de la ACU. [15]
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 29
El escenario descrito anteriormente presente algunas limitaciones como son los 100m
de alcance de la tecnología Bluetooth, y el número máximo de 8 nodos en una piconet. Para
superar dichas limitaciones surge la necesidad del empleo de las redes Bluetooth múltiples
(Bluetooth Scatternet) que se han comentado al explicar dicha tecnología.
Llegados a este punto, merece una explicación especial el elemento central del
sistema, la ACU, ya que es la encargada tanto de controlar y distribuir los diferentes flujos de
audio disponibles en el sistema, como de gestionar los enlaces inalámbricos y las diferentes
funciones del interfaz de usuario.
De este modo se permite a los usuarios escoger cualquier combinación de señales de
audio pudiendo por ejemplo en el mismo momento escuchar el conductor las indicaciones del
GPS y el pasajero hablar por teléfono.
Por otro lado, el Host está integrado por un procesador digital de señal de alto
rendimiento que se encarga de mezclar los diferentes flujos de audio procedentes tanto de los
BH como del teléfono móvil.
El Host Controller está formado por dos módulos Bluetooth, en los que se
implementan todos los servicios que va a ofrecer la red. En uno de ellos los servicios
correspondientes a la piconet A formada por los BHs y la ACU, y en el otro la interacción entre
el móvil y el BH.
Además de todas las funcionalidades citadas, no podemos olvidarnos del sistema de
reconocimiento de voz que permite al conductor controlar el interfaz de usuario a partir de la
voz y preguntar por el estado de la carretera o del vehículo a través de la voz, es decir no sería
necesario que observase si se muestran luces en el interfaz de usuario en caso de avería por
ejemplo, le sería suficiente con escucharlo.
En definitiva estamos ante un sistema de comunicaciones bidireccional en el que se
crea una red inalámbrica y multipunto de sensores Bluetooth completamente compatible con
cualquier dispositivo que cumpla con el estándar de esta tecnología y en el que se produce una
gran interacción entre la moto y los usuarios de la misma, que nos permite disfrutar de gran
cantidad de funcionalidades y servicios de audio que no tendríamos sin este sistema.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 30
3. DEFINICIÓN DE LOS ESCENARIOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
3.1. Metodología
Una de las herramientas básicas que se ha empleado para la realización de este trabajo
ha sido un software de trazado de rayos en 3D. Dicho software nos ha permitido la recreación
de los diferentes escenarios y la realización de las correspondientes simulaciones que nos
permitiesen obtener resultados concretos para su posterior análisis, y para poder así estudiar
la viabilidad de la implantación de un sistema de comunicaciones en motos.
Dicho software había sido realizado en Matlab por la Universidad Pública de Navarra,
con la finalidad de ser empleado como simulador de propagación de ondas.
El método de trazado de rayos 3D que se emplea está basado en el algoritmo Ray
Launching, que consiste en la distribución de manera uniforme de una cantidad finita de rayos
enviados todos ellos desde una antena transmisora, de modo que se asemeje a la propagación
del frente de ondas, y a la interacción con el entorno, de manera que simule efectos como la
difracción o la propagación multitrayecto que se producen al impactar los rayos con los
diferentes elementos del escenario.
Todos esos elementos del escenario fueron recreados con cuboides, incluso el mismo
escenario es un cuboide ya que el software no permite hacer otro tipo de figuras.
Aunque dichos escenarios corresponderían a un entorno exterior y dicho software fue
realizado para realizar simulaciones en interiores, esto no resulta ningún problema ya que en
el fondo en el exterior nos rodearían cuboides de aire, por lo que resulta muy sencillo indicar
que las caras del cuboide o paredes de nuestro escenario tienen las propiedades del aire, lo
que generara una gran aproximación a un escenario exterior como es nuestro caso.
Para la realización de los elementos principales de nuestros escenarios, como son la
moto y la persona que la conduce, también hemos empleado cuboides de manera que ha cada
cuboide se le han asignado las características de conductividad y constante dieléctrica del
material que queremos que represente. Por ejemplo a los cuboides que conforman los
neumáticos de la moto se les ha asignado la conductividad y constante dieléctrica del caucho,
al motor de la moto los parámetros del hierro y lo mismo para todos los cuboides presentes en
nuestro escenario.
Una vez configurados los diferentes escenarios con características y especificaciones
deseadas en cada uno de ello y tras la realización de las correspondientes simulaciones,
obtenemos datos de la potencia recibida en cada cuboide del espacio y por lo tanto dicha
cantidad de datos dependerá de los cuboides que conformen las dimensiones de nuestro
escenario y por consiguiente de su tamaño, es decir de la resolución que hayamos empleado.
En este caso todas las simulaciones realizadas tenían como resolución cuboides de
0,1m de lado para obtener unos datos bastante precisos aunque ello suponga un aumento en
el tiempo de cálculo y de simulación, así como del coste computacional.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 31
Al igual que la resolución, otros parámetros como las dimensiones del escenario que
en este caso no son un problema al tratarse de escenarios bastante sencillos, o el número de
rayos lanzados desde el transmisor (en todas las simulaciones con diferencia de un grado entre
un rayo y otro), o el número de rebotes permitidos para cada rayo; en nuestros escenarios
cada rayo realizará un máximo de 6 rebotes, afectarán a la precisión de los resultados
obtenidos.
Así pues es necesario alcanzar una solución de compromiso entre la resolución
deseada, el número de rayos lanzados y el número de rebotes permitidos a cada uno para
conseguir que nuestros resultados se asemejen todo lo posible a la realidad.
Por otro lado, otro de los elementos del escenario que nos permite configurar este
software es el tipo de antena a emplear y los diferentes parámetros de la misma como por
ejemplo su frecuencia de trabajo, su directividad, o la potencia que transmiten. En este
trabajo, se van a emplear antenas omnidireccionales a las frecuencias de 2,4 Ghz y 868Mhz, y
todas las antenas trasmitirán 0,1mW de potencia (-10dBm).
De este modo y con todos los parámetros del código descritos anteriormente bien
configurados, se consigue una buena aproximación de la realidad con un coste computacional
relativamente bajo, ya que se calcula la potencia recibida en cada punto del espacio, pudiendo
así obtener tanto mapas de cobertura de potencia a diferentes alturas, como perfiles de
retardo en potencia ya que con este código también se calcula el tiempo de propagación.
3.2. Definición de Escenarios
Durante la realización de este proyecto, se recrearon diferentes escenarios con
distintas características y dimensiones con el fin de determinar la propagación de las señales
procedentes de las antenas Bluetooth del sistema, con distintas casuísticas, y determinar de
ésta forma la cobertura en los distintos puntos de los escenarios, para poder colocar de este
modo los sensores Bluetooth en aquellos lugares de la moto o del conductor en los que la
cobertura vaya a ser buena y estable.
De entre todos los escenarios que se recrearon, podemos citar alguno como una moto
en una carretera, y una antena colocada en la cuneta, o el mismo escenario pero con dos
motos para observar cómo afecta la presencia de otro vehículo al funcionamiento del sistema.
También se simuló un escenario con dos motos, una detrás de la otra y una antena colocada
en la parte trasera de la misma para comprobar la interacción entre los dos vehículos.
Todos estos escenarios fueron simulados tanto con personas encima de la moto como
sin ellas para comprobar el efecto que tenía el cuerpo humano en el funcionamiento de este
sistema de comunicaciones.
Del mismo modo se realizaron las simulaciones tanto a 2,4Ghz como a 868Mhz, banda
de frecuencias en la que también podría funcionar ZigBee, para observar la diferencia de
funcionamiento de la red de sensores en una y otra banda, e intentar establecer en cuál de las
dos bandas funcionará mejor el sistema.
A continuación se explican de manera más detalla estos escenarios que hemos citado.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 32
3.2.1. Escenario 1 con persona y sin ella
En estas primeras simulaciones, en las que la antena transmisora es una fuente
omnidireccional que emite a 2,4GHz y a 0,1mW de potencia, colocada justo frente a la moto, lo
que se pretende es ver el comportamiento inicial de la red implantada en la moto cuando ésta
está parada, y buscar la convergencia del código. Esto consiste en buscar una correcta
interpretación de los resultados, ya que es posible que por diferentes motivos o errores no
obtengamos los resultados deseados que se asemejen al escenario real, es decir, en esta
primera fase además de obtener los primeros resultados lo que se pretende es calibrar el
algoritmo de trazado de rayos con el que vamos a trabajar. Una clara muestra de la necesidad
de calibrar dicho código son la gran cantidad de errores que aparecieron al inicio de este
proyecto, como por ejemplo que al colocar una antena demasiado cerca de la moto, no se le
daba al frente de onda el espacio suficiente para poder expandirse y por lo tanto no se
notaban los efectos que se producían en la moto o en su conductor.
Dicho esto, a continuación se describen los dos escenarios:
En ambos escenarios se han empleado los mismos parámetros de simulación y las
mismas dimensiones. Por lo tanto la única, aunque gran diferencia entre ellos es que en el
segundo se ha introducido una persona sobre la moto, lo que provoca algunas diferencias en
los resultados obtenidos en uno y en otro.
En las siguientes imágenes se pueden observar la estructura de ambos escenarios.
Fig.3.1. Escenario 1 sin persona
Tabla.3.1. Dimensiones y posición de elementos del escenario 1 sin persona
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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Fig.3.2. Escenario 1 con persona
Tabla.3.2. Dimensiones y posición de elementos del escenario 1 con persona
Tanto las dimensiones de los escenarios como la posición de la moto y la antena o la
persona en cada uno de ellos corresponden a las que podemos apreciar en las tablas 3.1 y 3.2,
estando todas estas posiciones dadas en metros. Como se puede observar la moto está
centrada a 4 metros en el eje X, a 2,5 metros en el eje Y, y situada sobre el suelo como es lo
normal.
Se han configurado los siguientes parámetros de simulación:
Escenario dividido en cuboides de 0,1m.
Antena omnidireccional con polarización lineal vertical.
Potencia de transmisión 0,1mW.
Incremento de lanzado de rayos de la antena: incremento en phi y en theta de π/180.
Número de rebotes 6.
Frecuencia de operación 2.4 GHz
Tasa de transmisión 250Kbps.
Como ya hemos dicho estos parámetros son los empleados para las simulaciones de los
primeros escenarios, con la única diferencia de que se introduce una persona en uno de ellos
como se ha podido apreciar en las imágenes anteriores.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 34
3.2.2. Escenario 2 con personas y sin ellas
Para poder continuar con la calibración del código y al mismo tiempo comenzar a
estudiar alguna situación real (moto en carretera con una antena en la cuneta) del
funcionamiento del sistema implantado en la moto, se definieron dos nuevos escenarios cuya
única diferencia entre ambos tal y como ocurría en el caso anterior, es que en uno va una
persona sobre la moto y en el otro no.
Fig.3.3. Escenario 2 sin persona
Tabla.3.3. Dimensiones y posición de elementos del escenario 2 sin persona
Fig.3.4. Escenario 2 con persona
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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Tabla.3.4. Dimensiones y posición de elementos del escenario 2 con persona
Tanto las dimensiones del escenario como la posición de los distintos elementos como
la moto la antena o la persona en el caso en el que está presente, corresponden a las que
podemos apreciar en las tablas 3.3 y 3.4 para el escenario sin persona y con persona
respectivamente, estando todas estas posiciones dadas en metros. Como se puede observar la
moto está centrada a 4 metros en el eje X, a 3,5 metros en el eje Y, y situada sobre el suelo.
Los parámetros de simulación que se han configurado han sido los mismos que para el
escenarios 1, empleando los mismos valores para los distintos parámetros como número de
rebotes, frecuencia, etc., es decir, con respecto al escenario 1 lo que ha cambiado han sido las
dimensiones del escenario y la ubicación de los elementos que forman parte del mismo como
son la antena y la moto.
3.2.3. Escenario 3 con persona y sin ella
Tras haber definido los escenarios anteriores y haber calibrado de manera correcta el
software de trazado de rayos con el que estamos trabajando, se procedió a definir nuevos
escenarios pero en este caso más complejos. Con esto lo que se pretende es analizar el
comportamiento de la red de sensores implantada en la moto, en el caso de que haya otra
moto cerca con el mismo sistema de comunicaciones implantado, así como analizar la forma
en que afecta la propagación multitrayecto al funcionamiento de la red.
De este modo, se creó un escenario formado por dos motos, las cuales podrían estar
en una carretera, y una antena situada en la cuneta de la misma a una altura de 1,5m, con lo
que las dos motos podrían recibir la potencia transmitida por la antena, y por lo tanto los datos
que dicha antena transmita.
En la siguiente tabla se especifican las dimensiones del escenario así como la
colocación de los diferentes elementos como las motos y la antena para el caso en el que no
hay ninguna persona sobre la moto.
Tabla.3.5. Dimensiones y posición de elementos del escenario 3 sin persona
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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Como se puede observar se trata de un escenario más grande, en el que interviene dos
motos colocadas una detrás de otra, dejando una distancia de unos 5 o 6 metros entre la
rueda trasera de la primera y la rueda delantera de la segunda, y un antena colocada en la
cuneta a una altura de 1,5 m y aproximadamente entre las dos motos.
Los parámetros de simulación que se han configurado (frecuencia de trabajo, número
de rebotes, potencia transmitida…) han sido los mismos que en los casos anteriores,
cambiando solo las dimensiones y elementos que intervienen en el escenario.
De manera más gráfica se puede observar en la siguiente figura el escenario que se ha
explicado.
Fig.3.5. Escenario 3 sin personas
Una vez obtenidos los resultados de este escenario, para poder analizar la influencia
del cuerpo humano en el funcionamiento del sistema de comunicaciones, se introdujeron dos
personas encima de ambas motos, dando así lugar a un nuevo escenario con los mismos
parámetros y dimensiones que el anterior, a excepción de las dos personas que se han
colocado sobre las motos.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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En la siguiente tabla y en las siguientes figuras se observa de manera muy clara como
quedaría dicho escenario.
Tabla.3.6. Dimensiones y posición de elementos del escenario 3 con personas
Fig.3.6. Escenario 3 con personas
Análisis de una Red de Sensores en Motos
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3.2.4. Escenario 4 con personas y sin ellas
Otro de los casos o de los escenarios que se estudio en el presente proyecto, fue la
interacción entre dos motos directamente entre ellas, de modo que el conductor de uno de los
vehículos de dos ruedas pueda hablar con el otro y viceversa, creando así una comunicación
bidireccional entre ambas.
Para ello se recreó un escenario con dos motos en una carretera, una moto detrás de
la otra a unos 5 o 6 metros de distancia, pero esta vez en lugar de estar la antena colocada en
la cuneta de la carretera, la antena estará colocada en la moto en sí, concretamente en la
parte trasera de la moto que va en primer lugar.
Este caso y el caso anterior con las dos motos y la antena en la cuneta, quizás sean los
más interesantes ya que son casos reales que se van a producir en el momento de implantar la
red de sensores en la moto. Concretamente este último puede ser de especial interés ya que
hasta el momento no se había colocado ninguna de las antenas sobre la misma moto y en la
realidad se tendrán que colocar gran cantidad de ellas en la moto si deseamos que nuestro
sistema funcione correctamente. Tras realizar las correspondientes simulaciones que
posteriormente explicaremos, observaremos cómo es posible la implantación del sistema para
que los conductores de ambas motos puedan interaccionar entre sí.
Los parámetros de simulación (número de rebotes, frecuencia, etc.) que se han
configurado en este escenario son comunes a los anteriores.
A continuación podemos ver de manera más detalla en qué consiste el escenario que
se ha recreado.
Fig.3.7. Escenario 4 sin personas
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 39
Las dimensiones de este escenario y la posición de los distintos elementos que
aparecen en él se describen en la siguiente tabla:
Tabla.3.7. Dimensiones y posición de elementos del escenario 4 sin personas
Posteriormente y dado que lo normal será que las motos tengan conductor, se
introdujeron dos personas, una sobre cada una de las motos dando lugar al nuevo escenario
que podemos ver en la siguiente imagen.
Tabla.3.8. Dimensiones y posición de elementos del escenario 4 con personas
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 40
Las dimensiones y posición exacta de los elementos de este escenario (antena, motos y
personas) se muestran en la siguiente tabla:
Tabla.3.8. Dimensiones y posición de elementos del escenario 4 con personas
Destacar que las simulaciones para todos los escenarios descritos anteriormente, se
realizaron a la frecuencia de 2,4 GHz, y a la frecuencia de 868MHz para observar las diferencias
en el funcionamiento del sistema a una y otra frecuencia, y estudiar si es posible su
implantación con otra tecnología inalámbrica que no sea Bluetooth, como podría ser el caso de
ZigBee en la frecuencia de 868MHz.
3.2.5. Escenarios para analizar problemas de convergencia
Finalmente se definieron escenarios mucho más próximos a la realidad, es decir, lo
más probable es que la distancia entre las dos motos en un trayecto sea mayor que la
planteada hasta el momento, ya que hasta ahora no se han definido escenarios de grandes
dimensiones, y aunque el estudio de los casos anteriores resulta válido, cuanto más se
asemeje el escenario definido a la realidad, mejores resultados se conseguirán extraer del
estudio.
Por ello se creó un escenario con las dos motos y las personas y la antena en la parte
trasera de la primera moto, al igual que en el caso anterior aunque de mayores dimensiones, y
otro escenario, en el que en lugar de estar la antena en la primera moto, se colocó en la parte
delantera de la segunda moto, ya que de este modo con una antena en cada moto se podría
crear un enlace de comunicación bidireccional entre ambas.
Las dimensiones de los escenarios y la posición de los distintos elementos que
intervienen en ellos se muestran en las siguientes tablas.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 41
Tabla.3.9. Dimensiones y posición de elementos del escenario grande con antena en moto 1
Tabla.3.10. Dimensiones y posición de elementos del escenario grande con antena en moto 2
Los parámetros escogidos para realizar las simulaciones de estos dos escenarios en
cuanto a frecuencia de trabajo (2,4GHz), número de rebotes (6) o potencia transmitida
(0,1mW), fueron los mismos que en los cuatro escenarios anteriores, con la excepción de la
resolución. Anteriormente al tratarse de escenarios de pequeñas dimensiones se empleo una
resolución de 0,1m, sin embargo en este caso se emplearán cuboides de 0,2 metros, 0,5
metros y 1 metro dado que al tratarse de escenarios de mayor tamaño, se produce
divergencia, es decir, llega un momento en el que la distancia de separación entre un rayo y
otro es mayor que el tamaño de un cuboide, y en ese caso dicho cuboide no captura ningún
rayo de potencia, o no captura todos los rayos que debería y entonces los resultados no serán
validos. Este fenómeno se observará en el apartado de análisis de resultados, al estudiar los
resultados obtenidos de estas simulaciones.
3.3. Análisis de los Resultados
Como ya se ha podido comprobar, muchos han sido los escenarios que se han definido
para la realización de este proyecto, y por lo tanto también se han podido obtener gran
cantidad de resultados como se podrá observar a continuación.
Dicho esto, en este apartado lo que se pretende es realizar un resumen en el que se
pueda extraer una serie de conclusiones a partir de alguno de los escenarios definidos
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 42
anteriormente, que nos permitan validar el funcionamiento del sistema de comunicaciones
que se pretende implantar.
Para realizar este estudio se han tenido en cuenta principalmente tres factores que nos
permitirán observar las diferentes distribuciones de potencia, dependiendo de la configuración
de cada uno de ellos. Estos factores son los siguientes:
Dimensiones del escenario y ubicación de los diferentes elementos que en el
intervienen como son la moto, la persona y la antena, y la distancia de cada uno de
estos elementos a la antena transmisora.
Influencia de una persona en el funcionamiento del sistema.
Frecuencia de trabajo.
Para poder demostrar que las conclusiones son ciertas, se incluirán planos bidimensionales
de potencia, radiales de potencia, y perfiles de retardo en potencia de las diferentes
situaciones.
3.3.1. Influencia de una persona en la distribución de potencia del escenario
En primer lugar se va a analizar la influencia que tendría una persona en el
funcionamiento del sistema.
Para ello a continuación se van a mostrar los resultados obtenidos tras simular el escenario 2
con persona y sin persona, y se realizará una comparación entre ambos.
3.3.1.1. Mapas bidimensionales de potencia
En primer lugar se muestra una representación en 3D de la moto y el plano de potencia para
poder comprender de manera más fácil los planos de potencia mostrados posteriormente.
Fig.3.9. Representación 3D de la moto y el plano de potencia a la altura de 0,7m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 43
(a) Escenario 2 sin persona (a) Escenario 2 con persona
(b)Escenario 2 sin persona (b) Escenario 2 con persona
Leyenda
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 44
(c) Escenario 2 sin persona (c) Escenario 2 con persona
(d) Escenario 2 sin persona (d) Escenario 2 con persona
Leyenda
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 45
(e) Escenario 2 sin persona (e) Escenario 2 con persona
Leyenda
Fig.3.10. Mapas bidimensionales de potencia para el escenario con persona y sin persona,
para distintos cortes del plano XY: (a) 0,3metros, (b) 0,6metros, (c) 0,9metros, (d) 1,1metros,
(e) 1,5m.
En las imágenes de la figura 3.10 se muestran los datos correspondientes a la
distribución de potencia recibida (dBm). En este caso se toman los valores de potencia recibida
a diferentes alturas de interés, correspondientes a las diferentes alturas de la moto que nos
puede interesar analizar para colocar alguno de los sensores que queremos implantar.
También podemos decir que los niveles de mayor potencia recibida se observan en
todos los planos en la zona cercana a la antena transmisora, mientras que en los alrededores
de la zona en la que se encuentra la moto(X=4, Y=3,5) tal y como se observa en el plano a la
altura de 1,1m, se reducen los niveles de potencia, debido a la influencia que tanto la moto
como el cuerpo humano ejercen en la propagación de la señal como por ejemplo su absorción.
Además se muestra la distribución de potencia recibida tanto en el caso del escenario
con persona, como del de sin persona, y aunque prácticamente no se observen diferencias a
simple vista, si nos fijamos de manera detallada especialmente en los planos a las alturas de
0,9m y de 1,1m que van a ser los planos en los que más intervenga el conductor, se pueden
apreciar algunas diferencias en los niveles de potencia recibida, que a continuación se
observaran de manera más clara calculando las radiales.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 46
3.3.1.2. Radiales de potencia
FIg.3.11. Comparativa radiales de potencia para distintos valores de Y en el caso sin persona.
FIg.3.12. Comparativa radiales de potencia para distintos valores de Y en el caso con persona.
En las figuras anteriores se observan las diferentes radiales de los escenarios sin
persona y con persona respectivamente, a una altura en la que prácticamente con total
seguridad se colocará algún sensor Bluetooth o ZigBee (0,7m), en las inmediaciones de la
moto.
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
Re
cib
ida
[dB
m]
X (m)
Radiales de Potencia sin persona fijando eje Y
radial3.5 radiall3.8 radial3.2
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
Re
cib
ida
[dB
m]
X (m)
Radiales de Potencia con persona fijando eje Y
radial3.5per radial3.8per radial3.2per
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 47
Podemos ver como el mínimo de potencia recibida es menor en el caso del escenario
con persona, dada la negativa influencia que tendrá en el nivel de potencia recibida, debido a
la gran cantidad de rayos que este elemento absorbe.
Por otro lado se observa que aunque a lo largo de todas las radiales de ambos
escenarios se producen diferencias, es en las inmediaciones de la zona donde se encuentran
los elementos involucrados en este escenario (centrados en X=4m), donde se reciben los
niveles de potencia más bajos. Concretamente en el escenario con persona, la potencia
recibida cae de manera brutal, dando lugar a zonas en las que se recibe muy poca señal.
Además merece la pena destacar el efecto negativo que tiene tanto la moto como la
persona para la propagación de la señal, ya que si comparamos en cualquiera de las dos
gráficas el nivel de potencia recibida entre la radial en Y=3,2m (radial justo antes de llegar a la
moto desde la antena), y la radial en Y=3,8m (radial una vez pasada la moto desde la antena),
podemos ver como la caída en el nivel de potencia es considerable.
Fig.3.13. Comparativa radiales de potencia para Y=3,5m del caso con persona y sin ella.
En la figura 3.13 se muestra una comparativa entre la radial obtenida en el escenario
sin persona y la obtenida en el escenario con persona. Estas dos radiales atraviesan la moto de
la parte delantera a la parte trasera, justo por la mitad.
Como se puede ver en la figura 3.14 si nos alejamos de la zona donde se encuentran
situadas la moto, y la moto y la persona, no hay diferencia entre los dos escenarios. Sin
embargo, en las inmediaciones de la moto se observa una diferencia que oscila entre unos 8 y
-8 dB aproximadamente.
Los valores de diferencia positiva nos indican que la potencia recibida en el escenario
con persona es menor que la potencia recibida en el escenario sin persona en ese punto en
concreto; mientras que los valores de diferencia negativa nos dicen que la potencia recibida en
un punto en concreto, es mayor en el escenario con persona que en el de sin persona.
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
Re
cib
ida
[dB
m]
X (m)
Radiales de Potencia en Y=3,5m
SINPER3.5 PERSONA3.5
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 48
FIg.3.14. Diferencia entre la radial a 3,5m del escenario sin persona y la del escenario con
persona
FIg.3.15. Comparativa radiales de potencia para distintos valores de X en el caso con persona.
-10
-5
0
5
10
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Dif
ere
nci
a e
n d
B
X (m)
sinpersona3,5m-persona3,5m
sinpersona3,5m-persona3,5m
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
reci
bid
a [d
Bm
]
Y (m)
Radiales de potencia en escenario con persona fijando X
radial a 1m radial a 2m radial a 3m radial a 4m radial a 5m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 49
FIg.3.16. Comparativa radiales de potencia para distintos valores de X en el caso sin persona
En las figuras 3.15 y 3.16 podemos ver las radiales de potencia obtenidas de los
escenarios sin persona y con persona respectivamente, calculadas a una altura de 0,7m, para
diferentes distancias del eje X, es decir en este caso las radiales cortaran la moto en sentido
perpendicular a la misma.
En la figura 3.17 podemos observar la radial obtenida a una distancia de 4 metros en el
eje X para una altura de 0,7m. Como se puede ver el nivel de potencia recibida en los
alrededores de la moto disminuye, especialmente en el escenario en el que tenemos a la
persona, con respecto al resto de zonas del espacio.
FIg.3.17. Comparativa radiales de potencia para X=4m del caso con persona y sin ella.
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
reci
bid
a [d
Bm
]
Y (m)
Radiales de potencia en X=4m
radial sin persona 4m radial con persona 4m
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
reci
bid
a [d
Bm
]
Y (m)
Radiales de potencia en escenario sin persona fijando X
radial a 1m radial a 2m radial a 3m radial a 4m radial a 5m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 50
A continuación se muestra la diferencia entre estas dos radiales anteriores, resultado
de restar a los niveles de potencia obtenidos sin persona, los que obtenemos con persona.
Debemos destacar la gran diferencia que se produce a 3,6m aproximadamente, ya que
como podemos ver el nivel de potencia recibida en ese punto en el escenario con persona es
mucho menor que en el escenario sin persona debido al fenómeno de la absorción de la señal
provocada por parte de la persona. Es necesario a la hora de colocar los sensores tener
especial cuidado con esas zonas en las que la potencia cae drásticamente como es este caso.
En general, de esta imagen podemos deducir el efecto negativo que provoca la
persona en la propagación de la señal, dado que se observa una mayor cantidad de valores
positivos que negativos, lo que implica que la potencia recibida en el caso de incluir una
persona en nuestro escenario es menor.
FIg.3.18. Diferencia entre la radial a 4m del escenario sin persona y la del escenario con
persona
3.3.1.3. Perfil de Retardo Potencia
Uno de los elementos que presenta nuestro escenario y que hasta el momento no
hemos nombrado, es el suelo. En el suelo, o en otro tipo de elemento como el motor de la
moto, ya que es un elemento metálico, rebotan gran cantidad de los rayos lanzados,
generando así la presencia de importantes componentes multitrayectos, dificultando de esta
manera la planificación radioeléctrica para poder implantar nuestro sistema de
comunicaciones en la moto.
Para poder explicar los efectos que provoca la propagación multitrayecto, con el fin de
poder analizar el comportamiento de sus diferentes componentes, se ha calculado mediante el
simulador de lanzado de rayos 3D, el valor de perfil de retardo potencia en diferentes puntos
-10
-5
0
5
10
15
20
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Dif
ere
nci
a e
n d
B
Y (m)
sinpersona a 4m- persona a 4m
sinpersona a 4m- persona a 4m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 51
del espacio, concretamente en los puntos donde teníamos máximos de potencia recibida y en
los que había mínimos.
Tabla 3.11. Puntos en los que se ha calculado el retardo de potencia
Los puntos descritos en la tabla están cogidos de la figura 3.11 y se corresponden con los
puntos máximo y mínimo de esa figura.
FIg.3.19. Perfil de retardo potencia para los puntos determinados en la tabla anterior.
Los puntos descritos en la tabla 3.12 están cogidos de la figura 3.16 y se corresponden con los
puntos máximo y mínimo de esa figura.
Tabla 3.12. Puntos en los que se ha calculado el retardo de potencia
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 52
FIg.3.20. Perfil de retardo potencia para los puntos determinados en la tabla anterior.
Como podemos ver en las figuras 3.19 y 3.20, para cada punto evaluado puede haber
mayor o menor número de componentes multitrayecto, por lo que no es casualidad la
diferencia de los niveles de potencia recibidos en cada uno de los puntos. Además a medida
que pasa el tiempo, la potencia con la que llega cada una de las componentes multitrayecto al
punto en cuestión, se ve disminuida debido a que los diferentes rayos cada vez que rebotan
con los distintos elementos, pierden potencia.
3.3.2. Nivel de Potencia Recibida en Función de la Ubicación de los Diversos
Elementos del Escenario
Como ya se mencionó anteriormente, existe una gran dependencia entre el nivel de
potencia recibida en un punto, tanto con las dimensiones del escenario y los elementos que en
el mismo intervienen (persona, moto), como con la distancia de cada uno de los puntos a la
antena transmisora, es decir el nivel de potencia decrece a medida que aumenta la distancia a
la antena.
Para ilustrar este fenómeno se han obtenido diferentes mapas bidimensionales y
radiales de potencia a diferentes alturas, para los escenarios 3 y 4, ambos sin persona,
descritos anteriormente.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 53
A continuación se muestran algunos de esos resultados.
3.3.2.1. Mapas bidimensionales de potencia
Leyenda
Fig.3.21. Mapas bidimensionales de potencia a 0,3m de altura para el escenario 4 sin persona
y para el escenario 3 sin persona respectivamente
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 54
Leyenda
Fig.3.22. Mapas bidimensionales de potencia a 0,6m de altura para el escenario 4 sin persona
y para el escenario 3 sin persona respectivamente.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 55
Leyenda
Fig.3.23. Mapas bidimensionales de potencia a 0,9m de altura para el escenario 4 sin persona
y para el escenario 3 sin persona respectivamente.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 56
Leyenda
Fig.3.24. Mapas bidimensionales de potencia a 1,2m de altura para el escenario 4 sin persona
y para el escenario 3 sin persona respectivamente.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 57
Leyenda
Fig.3.25. Mapas bidimensionales de potencia a 1,5m de altura para el escenario 4 sin persona
y para el escenario 3 sin persona respectivamente.
A la vista de los resultados obtenidos en cada uno de los planos, podemos ver la
dependencia del nivel de potencia en función de la distancia. Vemos como las zonas más
cercanas a la antena presenta un color más amarillento o anaranjado, indicando altos niveles
de potencia, mientras que si nos alejamos de la antena, esas tonalidades son más verdosa o
azuladas, indicando un menor nivel de potencia recibida en esos puntos.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 58
También podemos observar, especialmente en los planos a 0,3 y 0,6m del escenario 4
sin persona, en el que la antena está colocada justo encima de la moto, como la moto actuaría
como un gran obstáculo que evita la propagación de la señal hacia alturas inferiores a la de la
antena, obteniendo así planos con niveles de potencia bajos.
Además se observa como dependiendo de donde esté colocada la antena, los niveles
de potencia recibida más altos cambian dependiendo de la misma.
Por lo general también podemos ver que en el escenario con la antena colocada sobre
la moto, se reciben menores niveles de potencia en las inmediaciones de la otra moto, que en
el escenario con la antena colocada en la cuneta; debido a que la distancia desde la antena a
esa segunda moto es menor con la antena colocada en la cuneta, y a que la señal se propaga
mejor cuanto más alejados de los obstáculos se coloque la antena.
3.3.2.2. Radiales de potencia
Al igual que se hizo anteriormente en el caso en que se comparó los escenario con
persona y sin persona, apartado 3.3.1, otra manera de ver la distribución de potencia es
mediante las radiales de potencia
A continuación se presentan las radiales de potencia del escenario con la antena
colocada en la moto, a diferentes alturas, tanto por encima como por debajo de la altura de la
antena.
En ellas podemos observar como la potencia recibida a la altura de 1m en los
alrededores de moto en la que está colocada la antena, es mayor, ya que la distancia a la
antena es menor.
Destacar también, que así como en la segunda moto, el nivel de potencia recibida no
es mucho menor en el caso de alturas inferiores a la antena con respecto a las alturas por
encima de la antena; en el caso de la primera moto esta diferencia de potencia es mucho
mayor ya que la propia moto no deja propagarse a la señal hacia alturas inferiores a la de la
antena debido a la proximidad entre antena y moto.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 59
FIg.3.26. Radiales de potencia para distintos valores de X en escenario 4 sin persona (antena en
moto)
FIg.3.27. Radiales de potencia para distintos y=3,5m a distintas alturas en escenario 4 sin
persona (antena en moto)
En las siguientes imágenes se muestran las radiales de potencia del escenario con la
antena colocada en la cuneta de la carretera.
Podemos apreciar como la diferencia de potencia recibida en cualquiera de las dos
motos o a cualquiera de las dos alturas escogidas (0,6 y 1,2m) no es muy grande, dado que la
antena esta a la misma distancia aproximadamente de cada una de las dos motos, y además
está colocada en un punto del espacio más alto que la moto.
-90
-70
-50
-30
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
reci
bid
a[d
Bm
]
Y (m)
Radiales de Potencia fijando X
radial en z=1m X=2m radial en z=1m X=10m
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0
0.4
0
.8
1.2
1
.6
2
2.4
2
.8
3.2
3
.6
4
4.4
4
.8
5.2
5
.6
6
6.4
6
.8
7.2
7
.6
8
8.4
8
.8
9.2
9
.6
10
1
0.4
1
0.8
1
1.2
1
1.6
1
2
12
.4
12
.8
13
.2
13
.6 P
ote
nci
a re
cib
ida
[dB
m]
X(m)
Radiales de Potencia fijando Y
radial en z=0,6m y=3,5m radial en z=1,2m y=3,5m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 60
FIg.3.28. Radiales de potencia para distintos y=4m a distinta altura en escenario 3 sin persona
(antena en la cuneta de la carretera)
FIg.3.29. Radiales de potencia para distintos valores de X en escenario 3 sin persona (antena en
la cuneta de la carretera)
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
2.4
2.8
3.2
3.6
4
4.4
4.8
5.2
5.6
6
6.4
6.8
7.2
7.6
8
8.4
8.8
9.2
9.6
10
10
.4
10
.8
11
.2
11
.6
12
12
.4
12
.8
13
.2
13
.6
Po
ten
cia
reci
bid
a[d
Bm
]
X (m)
Radiales de potencia
radial z=0,6m y=4m
radial z=1,2m y=4m
-80
-70
-60
-50
-40
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6 6 6.4 6.8 7.2 7.6
Po
ten
cia
reci
bid
a[d
Bm
]
Y (m)
Radiales de potencia
radial en z=1m X=2m radial en z=1m x=10m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 61
3.3.2.3. Perfil de Retardo Potencia
Como ya habíamos mencionado anteriormente, uno de los elementos que influye en el
funcionamiento de nuestro sistema, especialmente en el caso de que se desee establecer
comunicación con otra moto, es el suelo, ya que la gran cantidad de rayos que se lanzan desde
la antena, rebotan en este dando lugar a un elevado número de componentes multitrayecto.
En el siguiente perfil de retardo de potencia se observa este fenómeno, donde se
comprueba que en diferentes instantes de tiempo llegan componentes con distintos niveles de
potencia, generadas por los sucesivos rebotes de los rayos lanzados desde la antena colocada
en la moto de la parte delantera de nuestro escenario.
A continuación se muestra una tabla con los puntos del escenario para los cuales se
han obtenido los perfiles de retardo de potencia. Estos puntos se corresponden al máximo y
mínimo de las radiales mostradas en la figura 3.26.
Tabla 3.13. Puntos en los que se ha calculado el retardo de potencia en el escenario 4 sin
persona.
FIg.3.30. Perfil de retardo potencia para los puntos determinados en la tabla 3.13.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 62
Tabla 3.14. Puntos en los que se ha calculado el retardo de potencia en el escenario 4 sin
persona (corresponden al mínimo y máximo valor de potencia reflejados en la figura 3.27).
FIg.3.31. Perfil de retardo potencia para los puntos determinados en la tabla 3.14.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 63
3.3.3. Nivel de Potencia Recibida en Función de la Frecuencia de Trabajo
Otro de los factores que debemos tener en cuenta para caracterizar el canal
radioeléctrico a través del cual se enviarán las señales por la red de sensores colocada en una
moto, es la frecuencia a la que van a funcionar esos sensores.
Teniendo en cuenta las tecnologías que hemos descrito en el apartado del estado del
arte (Bluetooth y ZigBee), y las diferentes frecuencias a las que trabajan dichas tecnologías, se
ha decidido realizar simulaciones tanto a 2,4Ghz como a 868MHz para analizar el
comportamiento de la red a las diferentes frecuencias, y como afecta la frecuencia al nivel de
potencia recibida en las diferentes zonas de nuestro escenario.
3.3.3.1. Mapas bidimensionales de potencia
A continuación se muestran los distintos mapas de potencia recibida para las dos
frecuencias analizadas y para diferentes alturas. Se puede apreciar a simple vista la diferencia
en los niveles de potencia recibida entre una y otra frecuencia.
Fig.3.32. Mapas bidimensionales de potencia a 0,3m de altura para el escenario 4 con
personas a 2,4GHz (imagen superior) a 868MHz (imagen inferior).
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 64
Leyenda
Fig.3.33. Mapas bidimensionales de potencia a 0,6m de altura para el escenario 4 con
personas a 2,4GHz (gráfica superior) a 868MHz (gráfica inferior).
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 65
Escenario8 a 2,4Ghz altura 0,9m
Leyenda
Fig.3.34. Mapas bidimensionales de potencia a 0,9m de altura para el escenario 4 con
personas a 2,4GHz (gráfica superior) a 868MHz (gráfica inferior).
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 66
Leyenda
Fig.3.35. Mapas bidimensionales de potencia a 1,2 de altura para el escenario 4 con personas
a 2,4GHz (gráfica superior) a 868MHz (gráfica inferior).
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 67
Leyenda
Fig.3.36. Mapas bidimensionales de potencia a 1,5 de altura para el escenario 4 con personas
a 2,4GHz (gráfica superior) a 868MHz (gráfica inferior).
Como se puede observar comparando los planos bidimensionales de potencia a las
diferentes alturas para 868MHz y 2,4GHz, el nivel de potencia recibida es bastante menor en la
banda de 2,4GHz que en la banda de 868MHz.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 68
Esto se debe a que cuanto mayor es la frecuencia de la antena transmisora, mayores
son las pérdidas que se producen por atenuación de la señal. Esto es, observando los mapas
anteriores se muestra como la disminución en el nivel de potencia a 2,4GHz con respecto a
868MHz, es mayor a medida que nos alejamos de la antena transmisora, ya que las pérdidas
por atenuación aumentan según se aumenta la frecuencia empleada para el funcionamiento
del sistema.
3.3.3.2. Radiales de potencia
Otro modo de comprobar esta diferencia en el nivel de potencia recibida en los
distintos puntos de nuestro escenario a 2,4GHz y a 868MHz es a partir de radiales de potencia.
A continuación se presentan algunas de las que se han obtenido.
FIg.3.37. Radiales potencia para z=0,6m y=3m, en escenario 4 con persona (antena en moto)
FIg.3.38. Radiales potencia para z=1m y=3,8m en escenario 4 con persona (antena en moto)
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0
0.4
0
.8
1.2
1
.6
2
2.4
2
.8
3.2
3
.6
4
4.4
4
.8
5.2
5
.6
6
6.4
6
.8
7.2
7
.6
8
8.4
8
.8
9.2
9
.6
10
1
0.4
1
0.8
1
1.2
1
1.6
1
2
12
.4
12
.8
13
.2
13
.6
Po
ten
cia(
dB
m)
X (m)
Radiales de Potencia
radial a 868MHz radial a 2,4 GHz
-90
-70
-50
-30
-10
10
0
0.4
0
.8
1.2
1
.6
2
2.4
2
.8
3.2
3
.6
4
4.4
4
.8
5.2
5
.6
6
6.4
6
.8
7.2
7
.6
8
8.4
8
.8
9.2
9
.6
10
1
0.4
1
0.8
1
1.2
1
1.6
1
2
12
.4
12
.8
13
.2
13
.6
Po
ten
cia
(dB
m)
X (m)
Radiales de potencia
radial a 868Mhz radial a 2,4 GHz
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 69
FIg.3.39. Radiales de potencia para z=1 x=1,3 en escenario 4 con persona (antena en moto)
FIg.3.40. Radiales de potencia para z=1 x=9,3 en escenario 4 con persona (antena en moto)
A la vista de los resultados obtenidos y tal y como se pretendía comprobar, se observa
como el nivel de potencia recibida al trabajar a 868MHz es superior (entre unos 10 y 20dB) al
nivel de potencia recibida a 2,4GHz en prácticamente todos los puntos del espacio.
Además al igual que en otros casos estudiados anteriormente, se observan los efectos
provocados por las distintas componentes multitrayecto, es decir, se pueden ver las
variaciones de potencia entre puntos consecutivos o muy próximos de nuestro escenario.
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
(dB
m)
Y(m)
Radiales de potencia
radial a 868MHz radial a 2,4GHz
-90
-80
-70
-60
-50
-40
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
(dB
m)
Y (m)
Radiales de potencia
radial a 868MHz radial a 2,4GHz
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 70
3.3.3.3. Perfil de Retardo Potencia
A continuación se muestra el perfil de retardo en potencia en un punto en concreto de nuestro
escenario, para la banda de 868MHz y la banda de 2,4GHz, que nos permitirá de nuevo
comprobar que el nivel de potencia recibido funcionando a 868MHz es superior al obtenido a
2,4GHz, así como saber el número de rayos que llegan a un punto, con que potencia lo hacen y
en que instante de tiempo concretamente.
Se ha calculado el retardo tanto para 868Mhz como para 2,4Ghz para el escenario 4 con
persona en el punto de coordenadas z=1m, x=9,3m, y=1,4m.
FIg.3.41. Perfil de retardo potencia para el punto x=9,3m y=1,4m z=1m
Como se muestra en la figura 3.41, podemos afirmar que el número de rayos que
llegan al punto que se está estudiando y el instante en que lo hacen, es el mismo para las dos
bandas de frecuencia que se han analizado.
Por lo tanto se puede determinar que el recibir un mayor nivel de potencia en la banda
de 868MHz no se debe a que haya una mayor cantidad de componentes multitrayecto, ya que
esto no es así, sino que lo que ocurre es que el nivel de potencia de las componentes
multitrayecto a 868Mhz es superior al de las componentes a 2,4Ghz tal y como se observa en
la imagen.
De este modo y a partir de mapas bidimensionales, radiales de potencia y perfiles de
retardo en potencia se ha conseguido analizar el comportamiento del funcionamiento de
nuestra red de sensores desde el punto de vista radioeléctrico, para poder realizar así una
correcta planificación radioeléctrica del sistema, en cuanto a los puntos más adecuados para la
colocación de los diferentes sensores, y la elección de la frecuencia más adecuada para
conseguir el mejor funcionamiento posible para nuestra red.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 71
3.3.4 Respuesta del Sistema frente a Sensibilidad
Una vez analizados los resultados obtenidos en cuanto a los niveles de potencia
recibida en función de la ubicación de los elementos, en función de la frecuencia de trabajo y
la influencia de la persona en esos niveles de potencia, es importante saber si para los distintos
escenarios que se han propuesto, los niveles de potencia recibida serán superiores a los
valores de sensibilidad de módulos Bluetooth o ZigBee.
Para ello se ha observado las hojas de características de diferentes módulos Bluetooth
y ZigBee de diferentes versiones y de distintos fabricantes como Bluegiga o Libelium, y la gran
mayoría tenían valores de sensibilidad entre -85dBm y -90dBm.
Por lo tanto en este caso para comprobar que el sistema pueda funcionar
correctamente y comparar ese valor de sensibilidad con los niveles de potencia recibida,
escogeremos un valor muy común de sensibilidad en la gran mayoría de módulos
concretamente, -85dBm.
Dicho esto se demostrará gráficamente que el sistema funciona correctamente para
los diferentes escenarios definidos anteriormente con personas dado que en la realidad la
moto será pilotada por alguien, y como sería posible aumentar ese nivel de potencia recibida
basándonos en los resultados obtenidos, simplemente aumentando la potencia transmitida
por el transmisor, o la ganancia de las antenas colocadas en el sistema.
Fig.3.42. Radial de potencia del escenario 1 con persona en y=2,5m z=0,7m
-90
-70
-50
-30
-10
10
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
(dB
m)
X (m)
Radial de Potencia y=2,5m z=0,7m
Pot Transmitida -10dBm Pot Transmitida 0dBm
Pot Transmitida 10dBm Sensibilidad
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 72
Fig.3.42. Radial de potencia del escenario 2 con persona en y=3,5m z=0,7m
Fig.3.43. Radial de potencia del escenario 3 con persona en y=4m z=0,7m
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6
Po
ten
cia
reci
bid
a[d
Bm
]
X (m)
Radial de potencia y=3,5m z=0,7m
Pot Transmitida -10dBm Pot Transmitida 0dBm
Pot Transmitida 10dBm Sensibilidad
-90
-70
-50
-30
0
0.4
0
.8
1.2
1
.6
2
2.4
2
.8
3.2
3
.6
4
4.4
4
.8
5.2
5
.6
6
6.4
6
.8
7.2
7
.6
8
8.4
8
.8
9.2
9
.6
10
1
0.4
1
0.8
1
1.2
1
1.6
1
2
12
.4
12
.8
13
.2
13
.6
Po
ten
cia
red
ibid
a [d
Bm
]
X (m)
Radial de Potencia y=4m z=0,7m
Pot Transmitida -10dBm Pot Transmitad 0dBm
Pot Tranmitida 10dBm Sensibilidad
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 73
Fig.3.44. Radial de potencia del escenario 4 con persona en y=3,5m z=0,7m
Teniendo en cuenta las gráficas anteriores, que representan las radiales desde la parte
inicial del escenario hasta la parte final, atravesando las motos justo por la mitad a una altura
de 0,7m en cada uno de los escenarios descritos, podemos decir que el sistema funcionará
correctamente dado que los niveles de potencia recibidos son mayores que el valor de
sensibilidad. De todos modos, en el caso de que esto no ocurriese así sería posible tal y como
se puede ver también en las gráficas, aumentar el nivel de potencia transmitida para conseguir
tener mayor potencia recibida en la zona que nos interese.
Además hay que destacar que en la realidad se colocará más de una antena en la
moto, lo que nos permite decir aún con más seguridad que no habrá problemas para el
funcionamiento del sistema tanto a la frecuencia de 2,4 GHz a la que se han obtenido las
gráficas anteriores, ni a la de 868MHz, dado que como ya se demostró en apartados
anteriores, a la frecuencia de 868Mhz, los niveles de potencia recibida serán aún mayores.
3.3.5. Consideración de efectos de Convergencia
A continuación se van a analizar los resultados obtenidos tras aumentar la distancia
entre ambas motos, ya que hasta ahora solo se había analizado una separación de unos 10
metros aproximadamente, cuando lo normal será que por lo menos haya una distancia de 50
metros entre ambas motos. Para ello se han realizado simulaciones con diferente tamaño de
los cuboides para el caso de tener una antena colocada en la moto que va primero, y para el
caso en que la antena esté colocada en la moto que va detrás. Para poder obtener algunas
conclusiones de los resultados obtenidos, así como para demostrar que las conclusiones
obtenidas anteriormente para los casos de distancias pequeñas entre motos son igual de
aplicables para el caso de una distancia mayor y que el sistema funcionará correctamente
aunque la distancia entre las motos sea mayor, se mostraran mapas bidimensionales de
potencia y radiales de potencia de esos dos escenarios.
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
0
0.4
0
.8
1.2
1
.6
2
2.4
2
.8
3.2
3
.6
4
4.4
4
.8
5.2
5
.6
6
6.4
6
.8
7.2
7
.6
8
8.4
8
.8
9.2
9
.6
10
1
0.4
1
0.8
1
1.2
1
1.6
1
2
12
.4
12
.8
13
.2
13
.6
Po
ten
cia
Re
cib
ida[
dB
m]
X (m)
Radial de Potencia en y=3,5 z=0,7
Pot Transmitida -10dBm Pot Transmitida 0dBm
Pot Transmitida 10dBm Sensibilidad
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 74
3.3.5.1. Mapas bidimensionales de potencia
En primer lugar se muestran los mapas bidimensionales de potencia del escenario con la
antena en la moto 1, es decir, en la que va primero a las distintas resoluciones.
Leyenda
Fig.3.45. Mapas bidimensionales de potencia a 1m de altura para el escenario de grandes
dimensiones con antena en moto 1 con resoluciones de 0,2m 0,5 m y 1m respectivamente
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 75
Leyenda
Fig.3.46. Mapas bidimensionales de potencia a 1m de altura para el escenario de grandes
dimensiones con antena en moto 2 con resoluciones de 0,2m 0,5 m y 1m respectivamente
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 76
A la vista de los resultados podemos decir que con una resolución de 0,2m los
resultados obtenidos no serán validos a partir de una cierta distancia a la antena ya que como
se puede ver tanto para uno como para otro escenario, los valores de potencia recibida son
muy pequeños, esto es debido a que las dimensiones de los cubos son tan pequeñas que no
pueden captar ningún rayo y por lo tanto no tiene sentido los resultados obtenidos cuando nos
alejamos de la antena una distancia considerable. Sin embargo para las distancias próximas a
la antena, estos resultados serán muy validos y muy precisos dada la gran cantidad de
cuboides en esa zona, y debido a que la distancia de separación entre los rayos no es mayor
que las dimensiones de un cuboide.
Podemos ver como en los otros dos planos esto no ocurre dado que las dimensiones
de los cuboides son mayores y por tanto siempre habrá una mayor o menor cantidad de rayos
que los atraviesan. Sin embargo en los escenarios con resoluciones 0,5m ya se observa como
en las distancias más alejadas de la antena (48-50m), el fenómeno comentado anteriormente
ya se empieza a producir por lo que tendremos que tener especial cuidado con los resultados
que se consideran válidos para el análisis del sistema, dado que como se puede apreciar el
tamaño de los cuboides es un resultado muy importante para obtener buenos resultados.
3.3.5.2. Radiales de potencia
FIg.3.47. Radiales de potencia para z=1m y=3m en escenario grande con antena en moto 1
para distintas resoluciones
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Po
ten
cia
Re
cib
ida(
dB
m)
X (m)
Radiales de potencia
radial resolucion 0,2m radial resolucion 0,5m radial resolucion 1m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 77
FIg.3.48. Radiales de potencia para z=1m y=3m en escenario grande con antena en moto 2
para distintas resoluciones.
Como podemos ver en las figuras 3.47 y 3.48, el nivel de potencia recibida que
obtenemos con el algoritmo de trazado de rayos también depende del tamaño de los
cuboides, por lo tanto podemos decir que tal y como se observa, el nivel de potencia recibida
será menor cuanto menor sea el tamaño del cuboide dado que menor cantidad de rayos
atravesaran el cuboide cuanto más pequeño sea este. Sin embargo cuanto menor sea el
cuboide, habrá una mayor precisión a la hora de obtener resultados.
Pero esto no es del todo cierto, ya que puede darse el caso de tener cuboides más
pequeños que la distancia de separación entre rayos, la cual aumenta al aumentar las
dimensiones del escenario; lo que provoca que un cuboide no sea capaz de captar rayos dando
lugar así a una potencia recibida prácticamente nula en ese punto y generando así resultados
inválidos para el análisis del escenario.
Por ello para conseguir estudiar adecuadamente el funcionamiento del sistema, se
deberán realizar medidas a diferentes distancias de la antena transmisora y posteriormente
comparar esas medidas con los resultados obtenidos a las distintas resoluciones, ya que para
distancias próximas a la antena la resolución más pequeña, en este caso 0,2m será la mejor,
pero a medida que nos alejamos esos resultados ya no serán validos por el hecho de que los
cuboides no son capaces de captar rayos cuando la distancia de separación entre estos es
mayor que las dimensiones del cuboide, por lo que en ese momento es muy probable que los
resultados válidos serían los obtenidos a la resolución de 0,5m y lo mismo ocurrirá cuando la
distancia de separación entre los rayos sea aún mayor, de modo que en ese momento los
resultados válidos serían los obtenidos a la resolución de 1m.
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Po
ten
cia
Re
cib
ida
(dB
,)
X (m)
Radiales de potencia
radial resolucion 0,2m radial resolucion 0,5m radial resolucion 1m
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 78
Así es como posteriormente se deberían comparar las medidas que se realicen, con los
correspondientes resultados obtenidos de las simulaciones para conseguir que el sistema
funcione correctamente.
3.3.5.3. Perfil de Retardo Potencia
La influencia del tamaño del cuboide en el número de rayos que este es capaz de captar; si sus
dimensiones son menores que la separación de los rayos no podrá captar ningún rayo, se
puede comprobar de manera muy clara a través del perfil de retardo de potencia para un
mismo punto del escenario con diferentes dimensiones de cuboide.
A continuación se muestran los perfiles de retardo de potencia para el cuboide x=15m
y=3m z=1m para las resoluciones de 0,2m 0,5m y 1m en el escenario con la antena colocada en
la moto 2.
Fig.3.49. Perfil de retardo potencia para el cuboide x=15 y=3m z=1m para el escenario
grande con la antena en la moto 2 y resolución de 0,2m.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 79
Fig.3.50. Perfil de retardo potencia para el cuboide x=15 y=3m z=1m para el escenario grande
con la antena en la moto 2 y resolución de 0,5m.
Fig.3.50. Perfil de retardo potencia para el cuboide x=15 y=3m z=1m para el escenario grande
con la antena en la moto 2 y resolución de 0,5m.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 80
En los perfiles de retardo anteriores se puede observar claramente como el número de
componentes multitrayecto que capta el cuboide con resolución 0,2m es mucho menor que
para el caso de 0,5m y 1m lo que demuestra el hecho que hemos comentando anteriormente y
que puede dar lugar a que un cuboide no capte rayos. Sin embargo la diferencia entre el perfil
de retardo con resolución de 0,5m y el perfil de retardo con resolución de 1m no es muy
elevada y en ambos casos existe un número de componentes multitrayecto bastante grande,
debido a que una distancia a la antena de 40m no es demasiado grande como para que la
diferencia entre una resolución de 0,5m y una resolución de 1m se pueda apreciar con
claridad, aunque la diferencia sí que exista.
En definitiva ha quedado demostrado que es importante tener en cuenta la resolución del
escenario, tanto para evitar problemas de convergencia, como por la forma en que varían los
resultados dependiendo de dicha resolución.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 81
4. CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS
Como ha quedado demostrado en este proyecto, la distribución de los niveles de
potencia recibida en una moto, depende en gran medida tanto del conductor que vaya sobre
la moto, como de la situación de los diferentes elementos que intervienen en el entorno, entre
ellos la antena, ya que el nivel de potencia recibida cambia considerablemente dependiendo
de la distancia a la misma.
Otro de los aspectos que influyen en gran medida en el funcionamiento de la red es la
frecuencia a la que trabajan los dispositivos que la forman, de tal forma que en mi opinión
para obtención datos de telemetría como humedad de la carretera, temperatura, o velocidad
del viento sería totalmente posible el empleo de la tecnología ZigBee, mientras que para la
comunicación entre las personas o la conexión con el teléfono móvil emplearía tecnología
Bluetooth dado que proporciona una mayor velocidad de transferencia, necesario para ese
tipo de comunicaciones.
Como líneas futuras se deberán de realizar medidas en un escenario real para poder
compararlas con las obtenidas de las simulaciones y extraer así conclusiones más claras sobre
el comportamiento del sistema a las diferentes distancias entre las motos, para realizar un
sistema de comunicaciones que funcione de la manera más óptima posible.
En definitiva hay que tener en cuenta todos los factores explicados en este proyecto si
se quiere conseguir una planificación adecuada del canal radioeléctrico de una red de sensores
implantada en una moto, y realizar las simulaciones correspondientes que nos facilitaran
posteriormente la toma de medidas, y comparar ambos resultados tantos los empíricos como
los deterministas para lograr el mejor sistema de comunicaciones posible.
Análisis de una Red de Sensores en Motos
José Javier Martínez González Página 82
5. BIBLIOGRAFÍA
[1] PFC de Alexandra Cuerva García titulado “Redes y Servicios Ubicuos Para Internet de las
Cosas en Dispositivos Llevables”. Universidad Politécnica de Madrid.
[2] PFC de Inmaculada Arévalo Escudero titulado “Estudio del Tráfico Bluetooth en Entornos
Reales de Simulación”. Universidad Pontificia Comillas.
[3] PFC de Alberto Moreno Tablado titulado “Seguridad en Bluetooth”. Universidad Pontificia
Comillas.
[4] PFC de Pablo Jiménez Rived titulado “Evaluación Radioeléctrica de Sensores Basados en
Tecnología Bluetooth para Entornos Interiores”. Universidad Pública de Navarra.
[5]http://www.blauden.com/scala-rider-teamset-mp3-intercomunicador-bluetooth-para-
moto-piloto-pasajero
[6] https://lh4.ggpht.com/KDvDDiD6O_1BJTEdWnyXKnxLosZfLtl_OReIeHjMh0l0zfX2v5FRUx-
zm1PHjx6lAnWjeg=s96
[7]http://www.motosprint-shop.com/es/schuberth-intercom-c3-pro-src-
system/7127_2006.html
[8] http://www.motorpasion.com/gadgets/gps-garmin-para-motos
[9] PFC de Tomás Cantabrana Martínez titulado “Caracterización del Canal Radioeléctrico en el
Interior de Vagones de Transporte en el Sector Ferroviario”. Universidad Pública de Navarra.
[10] PFC de Ángel Armendáriz Mateos titulado “Análisis de la dependencia topológica de una
red de sensores ZigBee en relación con el canal de propagación para entornos interiores”.
Universidad Pública de Navarra.
[11] ZigBee y sus aplicaciones por Ignacio Vidri Salgado. Universidad Pontificia Comillas.
[12]http://www.microgenios.com.br/website/index.php/curso-presencial-zigbee-automacao-
wireless
[13] PFC de Valeriano Campillo Torrecillas titulado “Programación de una herramienta de
trazado de rayos 3D basada en GO y UTD”. Universidad Politécnica de Cartagena.
[14] PFC de Carmen Rivarés Garasa titulado “Análisis de prestaciones de redes inalámbricas de
área personal on-body en un entorno interior”. Universidad Pública de Navarra.
[15] IEEE: Wireless Audio Communication Network for In-Vehicle Access of Infotainment
Services in Motorcycles.